吐谷浑可汗伏允率领部众据守覆袁川（今青海门源永安滩附近），炀帝分兵围剿：内史元寿向南屯驻金山（今青海大通娘娘山），兵部尚书段文振向北屯驻雪山（今祁连山），太仆卿杨义臣向东屯驻琵琶峡（今青海门源仙米峡），将军张寿向西屯驻泥岭（地点待考，胡三省注：四面合围伏允）。伏允率几十名骑兵突围，派名王谎称自己是伏允，据守车我真山（今青海祁连县东南）。壬辰日，炀帝下诏命右屯卫大将军张定和前往抓捕。张定和轻视敌军人少，不穿铠甲，挺身登山，被吐谷浑伏兵射死；其副将柳武建攻击吐谷浑，将其击败。甲午日，吐谷浑仙头王走投无路（胡三省注：?同蹙），率领男女十多万人投降。六月，丁酉日，炀帝派左光禄大夫梁默等追击伏允，兵败被杀。卫尉卿刘权（胡三省注：此处“刘”上应有“彭城”二字）从伊吾道出兵，攻击吐谷浑，到达青海（胡三省注：《隋志》西海郡有青海，周长千余里），俘虏一千多人，乘胜追击到伏俟城（吐谷浑都城，在青海西岸四十五里）。
辛丑日，炀帝对给事郎蔡徵说：“自古天子有巡狩之礼，而江东各帝多涂脂抹粉，深居宫中，不与百姓相见，这是什么道理？”蔡徵回答：“这正是他们不能长久的原因。”丙午日，炀帝到达张掖郡（今甘肃张掖，炀帝改甘州为张掖郡）。炀帝西巡前，命裴矩劝说高昌王麴伯雅及伊吾吐屯设（胡三省注：吐屯设是突厥所置，镇守伊吾）等，以厚利引诱，召他们入朝。壬子日，炀帝到达燕支山（今甘肃永昌焉支山，胡三省注：《隋志》武威郡番禾县有燕支山），麴伯雅、吐屯设等及西域二十七国在道旁拜见，都命他们佩戴金玉、穿着锦缎毛织品，焚香奏乐，歌舞喧哗。炀帝又命武威、张掖的士人女子盛装围观，衣服车马不鲜艳的，由郡县督促置办。车马人群拥堵，绵延几十里，以显示中原的强盛。吐屯设献上西域几千里土地，炀帝非常高兴。癸丑日，设置西海、河源、鄯善、且末等郡（胡三省注：西海郡设于伏俟城，河源郡设于赤水城，鄯善郡设于古楼兰城，且末郡设于古且末城），将天下罪犯发配为戍卒驻守。命刘权镇守河源郡积石镇（胡三省注：《志》载河源郡有积石山，为黄河发源地，杜佑称在西平郡龙支县南），大规模开垦屯田，抵御吐谷浑，打通西域通道。
当时全国共设一百九十个郡，一千二百五十五个县，八百九十万多户。东西长九千三百里，南北宽一万四千八百一十五里。隋朝的强盛，至此达到顶点。
炀帝认为裴矩有安抚远方的谋略，升他为银青光禄大夫。从西京各县及西北各郡，都向塞外转运物资，每年耗费亿万；运输途中因道路艰险及遭遇劫掠，人畜死亡无法到达的，郡县都要征调百姓家产补偿。由此百姓失业，西部地区先陷入困境。
起初，吐谷浑伏允派儿子顺入朝，炀帝扣留顺不让返回。伏允败逃后，无法维持生计，率几千骑兵投奔党项（胡三省注：《隋书》称党项羌是三苗后裔，有宕昌、白狼等部，自称猕猴种，东接临洮、西平，西抵叶护，南北数千里，居山谷间，每姓为一部落）。炀帝立顺为可汗，送到玉门关，让他统领剩余部众；以吐谷浑大宝王尼洛周为辅。顺到西平郡后，部下杀死尼洛周，顺未能入境而返回。
丙辰日，炀帝登上观风行殿（胡三省注：即观风行殿），陈列盛大仪仗，召高昌王麴伯雅及伊吾吐屯设上殿宴饮（胡三省注：《考异》指出《略记》载此事在六月壬寅，现从《隋帝纪》），其余蛮夷使者二十多国在阶下陪同，演奏九部乐（胡三省注：炀帝立清乐、龟兹、西凉、天竺、康国、疏勒、安国、高丽、礼毕为九部乐）及鱼龙戏娱乐，赏赐各有差别。戊午日，大赦天下。
吐谷浑有青海，民间传说将母马放在湖边，能生下龙种（胡三省注：《吐谷浑传》载青海中有小山，冬季放母马于此，称得龙种，曾得波斯草马放入青海，生骢驹，日行千里，称青海骢）。秋季，七月，炀帝在青海设置马牧，放二千匹母马在川谷中以求龙种，没有效果而停止。
炀帝向东返回，途经大斗拔谷（今甘肃民