吐蕃守军倚仗城池高墙，主动出城与唐军野战，想要依托骑兵冲散唐军阵型。王孝杰早有准备，下令步兵结成密集长枪方阵，盾牌兵在前阻挡骑射，两翼埋伏精锐骑兵，待吐蕃骑兵冲锋疲惫之际，伏兵骤然杀出，三面合围吐蕃部队。吐蕃士兵从未见过如此适配高原作战的步兵阵型，阵型迅速溃散，死伤惨重，唐军顺势攻破碎叶外城，吐蕃残兵弃城逃窜，碎叶镇率先收复。
拿下碎叶之后，唐军士气大振。王孝杰没有停下休整，趁胜追击，率军转攻疏勒。驻守疏勒的吐蕃将领深知王孝杰熟知己方战术，不敢出城野战，紧闭城门死守，依靠城墙弓箭防守。王孝杰根据吐蕃城池粮草囤积位置，切断城内水源，同时制造攻城云梯、冲车，昼夜轮番佯攻，消耗守军体力，短短十日，疏勒守军弹尽粮绝，开城投降。
接连拿下两座重镇，安西吐蕃守军人心浮动，龟兹、于阗守将各自固守城池，不敢相互支援。王孝杰兵分两路，一路牵制龟兹主力，自己亲率精锐突袭于阗。于阗吐蕃守军猝不及防，城外防线迅速崩溃，唐军顺利占领于阗。至此四座重镇仅剩龟兹还在吐蕃掌控之下，龟兹是安西核心重镇，城池规模最大，吐蕃主力全部汇聚于此，打算死守到底。
吐蕃急调高原援军，跨越昆仑山支援龟兹，打算里外夹击唐军。王孝杰早已预判援军路线，提前在昆仑山隘口设下伏兵，吐蕃援军长途跋涉抵达隘口，尚未休整，便遭到唐军突袭，援军几乎全军覆没，支援龟兹的计划彻底落空。断绝外援的龟兹守军孤立无援，军心彻底崩塌，王孝杰率军发起总攻，一举攻克龟兹主城，沦陷二十二年的安西四镇，全部收复，大唐军旗重新飘扬在西域万里疆土之上。
长寿元年十月，收复四镇的捷报快马传回洛阳皇宫，武则天大喜过望，当即召集文武百官上朝，当众称赞王孝杰：“贞观年间辛苦经营，方才拿下西域诸城，后来西陲失守，尽数落入吐蕃之手。如今王孝杰凭一己之力收复全部故土，边境自此可保安宁。他行军与士卒同甘共苦，徒步跋涉万里，忠心赤诚，劳苦功高，这份功绩无人可比！”
朝堂之上，此前质疑王孝杰的官员全都沉默无言，再也无人敢拿被俘旧事非议他。武则天当即下旨，提拔王孝杰为左卫大将军，赏赐金银绸缎、良田宅邸，派人前往西域犒劳全体西征将士。
收复四镇之后，不少大臣提议西域路途遥远，驻守耗费钱粮巨大，应当减少驻军，只保留少量兵马看管城池。王孝杰上书直言反对，他深知吐蕃不会放弃西域，一旦唐军兵力空虚，吐蕃必定卷土重来，再次侵占四镇。他向武则天谏言，必须在龟兹重新设立安西都护府，派驻三万重兵长期戍守，完善西域驿站、粮草储备体系，安抚西域各部族，才能长久稳固西域防线。
武则天采纳他全部建议，重置安西都护府，调拨三万汉军常驻龟兹，丝绸之路重新畅通，西域诸国再度遣使向武周朝贡，河西百姓再也不必日夜担忧吐蕃劫掠，西部边境迎来多年难得的安稳局面。这份奠定大唐西域百年统治的布局，全出自王孝杰的规划，是他一生最高光的功绩。
长寿二年，公元693年，王孝杰从西域班师回朝，抵达洛阳。武则天再度晋升其官职，迁夏官尚书，加封同凤阁鸾台三品。夏官尚书即兵部尚书，同凤阁鸾台三品等同于宰相，王孝杰正式实现出将入相，手握兵权、参与中枢朝政，同时受封清源县男，拥有世袭爵位，走到仕途巅峰。
从被俘阶下囚，到西征主帅、当朝宰相，王孝杰的人生反转，在整个唐代都极为罕见。身居高位之后，他没有滋生骄奢之心，依旧保持武将本色，朝堂议事，但凡涉及边防、军务，直言不讳，从不迎合权臣；回到家中生活简朴，不置办奢华产业，不结交党羽，一心只关心边境军备。
延载初年，北方后突厥不断南下侵扰边境，朝廷任命薛怀义为瀚海道行军大总管，王孝杰担任瀚海道行军总管，随军北上抵御突厥。薛怀义是武则天宠臣，不懂行军打仗，只是挂名主帅，军中实际调度、布防全部依靠王孝杰。大军深入北方草原，多日搜寻不见突厥主力，后突厥听闻王孝杰领兵，自知难以抗衡，主动退避，大军无大规模战事，最终班师回朝。
证圣元年，公元695年，后突厥再度异动，武则天任命王孝杰为朔方道行军总管，独自领兵北上征讨突厥。大军抵达边境，威慑突厥各部，突厥默啜可汗畏惧王孝杰麾下边军战力，主动派遣使者前往洛阳请降，向武周称臣纳贡，北方边境危机顺利化解，王孝杰不战而屈人之兵，再度立下边功。
短短数年，西破吐蕃收复四镇，北镇突厥安定北疆，王孝杰成为武周朝唯一能同时稳住东西两边防线的名将，武则天对他信任有加，但凡边境重大战事，第一时间想到启用他。
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