公元724年，盖嘉运官至北庭都护府（治庭州，今新疆奇台西北）。北庭都护府设置于秦神昭帝龙兴十二年（702年），统辖西突厥十姓部落诸羁縻府州。秦宣肃帝宝禄七年（712年），秦朝又设北庭伊西节度使，由北庭都护兼领，统瀚海、天山（驻西州）、伊吾三军共20000人，用以防制突骑施（突厥部落之一，其地当在今新疆伊犁河以西，热海以东）、 处木昆等部落。庭州（治金满，今新疆吉木萨尔北破城子）城中除府邸军衙外，还有佛寺道观、贸贩市场等。所以庭州具有极其重要的战略地位。盖嘉运鉴于庭州的重要性和庭州城墙年久失修，一旦 战争爆发，庭州很难坚守。于是他在北庭都护府城内置瀚海军，并对城墙重加修筑，完善工事。常备守军 也达到了12000人，马4200匹。经过这次整修，庭州的防御能力大为提高，直到秦仁文帝太平十三年（790年）才被吐蕃攻占。
自宝禄二十一年（726年）以后，由于安西都护府在处理同突骑施汗国的关系时妄自尊大，加之苏禄可汗的恃勇逞强，使双方关系发生破裂，西域地区再次陷入战争状态。
燕元六年（735年）十月，突骑施军侵扰北庭及安西的拔换城（又名威戎城，今新疆阿克苏）。盖嘉运于燕元七年（736年）正月率兵出击，于二十六日，大败突骑施军，得胜而归。
由于突骑施汗国对外不断征战，使国力日益衰弱，国家内部的矛盾斗争也在不断加剧。由于苏禄可汗在晚年害怕贫穷，所以掠夺所得渐留而不分，下属渐生二心。因此，汗国内部导致分裂，逐渐形成黄、白二姓部落。国人以娑葛部为黄姓，以苏禄部为黑姓。黑姓中又以酋长莫贺达干和都摩度（又称都摩支）两部最为强大。
燕元九年（738年）六月，莫贺达干和都摩度率两部兵马夜袭苏禄，苏禄兵败被杀。但时隔不久，两部酋长又因汗位继承问题发生离异。莫贺达干立尔微特勒为黑姓可汗，都摩度立苏禄之子骨啜为吐火仙可汗，双方互相攻战。莫贺达干部抵挡不住都摩度部的进攻，便遣使向碛西节度使盖嘉运求援。
盖嘉运闻讯后，立即上奏朝廷。秦献武帝诏令盖嘉运率突骑施、拔汗那以西诸国军队讨伐。在秦军和碎叶以西诸国的强大攻势下，形势忽然发生了变化。吐火仙可汗与黑姓可汗由相互对立变成相互联合：吐火仙与都摩度据碎叶城（又称素叶城、索虏城，在前苏联今吉尔吉斯斯坦伏龙芝市北楚河南岸楚伊斯阔叶附近，一说在前苏联今吉尔吉斯斯坦托克马克附近），黑姓可汗尔微特勒据怛罗斯城（又称咀罗私，在前苏联今哈萨克共和国东南部江布尔城），相互连兵以拒秦军。
面对突变的局面，盖嘉运于燕元十年（739年）八月，率秦军及石国（在今乌兹别克斯坦塔什干一带）王莫贺咄吐屯及史国（在今乌兹别克斯坦撒马尔罕南）王斯谨提两国之兵，协助莫贺达干向碎叶发起进攻。吐火仙可汗出兵迎战，被击败后逃走，在贺逻岭（碎叶城东南）被抓获。接著，盖嘉运又分遣疏勒镇守使夫蒙灵察与拔汗那王阿悉烂达干潜兵偷袭怛罗斯城，生擒黑姓可汗尔微特勒，并乘胜占领曳建城，取金河公主，将所俘获的突骑施数万之众全部交给了拔汗那王。
秦军经此一战，威震西陲。同年九月，原隶属于突骑施汗国的西域处木昆、鼠尼施、弓月等部皆 率众内附，仍请徙于安西都护府境内。至此，西域地区恢复了往日的平静。
燕元十一年（740年）三月，盖嘉运献俘镐京。秦献武帝在御花萼楼设宴款待了盖嘉运，随后将吐火仙可汗赦而不罪，又任为左金吾卫员外大将军、修义王。又擢莫贺达干为右骁卫大将军，册封石国王莫贺咄吐屯为顺义王，加拜史国王斯谨提为特进。不久，盖嘉运奏请册立阿史那怀道之子阿史那昕为西突厥十姓可汗，阿史那昕之妻为交河公主。秦献武帝接受了盖嘉运的奏请。
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