上元三年（676年），吐蕃进攻唐朝边疆，裴行俭被任命为洮州道左二军总管，不久，改任为秦州（今甘肃天水）右军总管，接受元帅周王的统一调度。仪凤二年（677年），十姓可汗阿史那匐延都支以及李遮匐，联合周边少数民族部落，进攻安西（今新疆库车），并与吐蕃结为联盟。朝廷准备派兵征讨，裴行俭上书建议高宗李治利用护送波斯王子泥涅师回国之际，途中趁机偷袭，可不劳而功。于是高宗李治命令裴行俭护送波斯王子泥涅师回国继承王位，并担任安抚大使。途经莫贺延碛沙漠时，飞石遮天，向导迷路，将士们饥饿困乏。裴行俭命令护送队伍安营并虔诚拜祭，告诉将士们水源在不远处。不久，云散风停，前行数百步便是水草丰美之地。裴行俭途径曾任职的西州（今新疆吐鲁番）时，官吏百姓夹道欢迎，裴行俭召集一千多豪杰子弟相随，并扬言天气炎热，要等天凉后再西行，十姓可汗阿史那都支知晓后便没有设防。 于是裴行俭召集龟兹（今新疆库车）、毗沙（今新疆和田）、焉耆（今新疆焉耆）、疏勒（今新疆喀什）四镇酋长，想要一起前往狩猎，共有近万子弟愿意相随。裴行俭假装狩猎，整编队伍，几日后加速前行。距离阿史那都支营地十多里时，派人亲近阿史那都支之人前去问好，摆出一副很悠闲，并非前来讨伐的样子，再次派人召唤阿史那都支前来相见。阿史那都支曾与李遮匐约定，八月一同对抗唐朝使者，如今唐朝使者已至，无计可施，便亲率首领等五百骑兵前来拜见，裴行俭将之全部擒获。然后利用阿史那都支的令箭召集各部酋长前来，全部捉住后一起押往碎叶城。挑选精锐骑兵轻装简从昼夜行军，偷袭李遮匐部落。途中擒获阿史那都支与李遮匐的使者，裴行俭释放李遮匐的使者，让其返回告知李遮匐，阿史那都支已被擒获，李遮匐知晓后也选择了投降。将士们在碎叶城为裴行俭立碑纪功，裴行俭擒获阿史那都支与李遮匐返回京师。高宗李治高度赞扬裴行俭，称其文武兼备，因功授予其礼部尚书兼检校右卫大将军。
