双方展开激战。吐谷浑人虽是骁勇，但兖军也都是百战余生，悍不可当，兼兵力占据绝对优势，不到半个时辰，吐谷浑人便伤亡大半，剩余的全部投降。太史歆下令将投降的吐谷浑人押送至他们的军营，派人看管。
大战过后，鄯善国王亲出迎接。到得王府内，鄯善国王问道：“久闻中原大乱，北周势弱，吐谷浑人遂趁虚而入，鄯善国小兵弱，不得已而事之，望上朝海涵。”太史歆道：“国王陛下受惊了。北周无道，今我大兖顺天应人，已起数十万大军伐周，不日即可克捷。我王有令，兖军有义务保护鄯善。”鄯善国王大喜。
却说吐谷浑人派回报信的斥候将鄯善的情况带回国内。吐谷浑可汗遂聚众商议。众人皆道大兖强盛，刚刚在草原上大败突厥。以突厥之凶悍尚不是兖军对手，我吐谷浑绝不能敌之，且鄯善地处西陲，国土贫瘠，弃之可也。吐谷浑可汗从之，遂令人前往通知驻扎鄯善的军队，撤回吐谷浑。
十余日后，吐谷浑使者携可汗之命抵达，将来意说明。太史歆遂命将软禁的吐谷浑军人放出，资以钱粮，好生送其出境。不想那吐谷浑首领临行前道：“兖军仗着人多，我军才有昔日一败，此仇来日必报之。”说完便率队扬长而去。兖军将士听后皆义愤填膺，太史歆则笑对部下道：“区区丑类，也敢妄言。鄯善自汉朝便是我属国，岂容他人插手，况是吐谷浑人先行动手，我军乃被迫迎战，于情于理吐谷浑人皆是难辞其咎。且待我王扫平境内，彼时恐吐谷浑思自保尚且无暇，遑论复仇了。”众人方才释然。
鄯善百姓平时受吐谷浑人欺压，皆是有苦难言。今见兖军不仅大败吐谷浑人，且军纪严明，秋毫无犯，皆大喜，携牛羊前来犒军，鄯善国王也亲自带着美酒牛羊前来。太史歆见将士们连日来辛劳，便破例令全军大醢三日，军民大悦。当夜，太史歆和鄯善国王在西戎校尉府畅饮，大醉方散。
数日后，太史歆向鄯善国王了解焉耆军情。只听鄯善国王说道：“焉耆与高昌和龟兹相邻，愿皆是中原属国，北魏之时，焉耆尚有两万余驻军，但近些年中原王朝式微，愿属国皆名存实亡，到了北周，仅在焉耆驻有百余名军士。而突厥人趁虚而入，如今已控制高昌和龟兹，大有向焉耆渗透之势。”太史歆听后，知事不宜迟，令副将张腾率五千人进取焉耆。
