玄奘带着一大批佛典，心中有着无尽的使命感和来自时间的压力。西行印度时，玄奘选择的路线蜿蜒曲折，因为他到处巡礼游览。而回国的路线则简单得多，除了不得不转弯的地方外，大部分都是直线前行的。在今印度、巴基斯坦和阿富汗境内的路程，玄奘选择的都是以前走过的并且最快捷的路线。但到了阿富汗与中亚的交界地带，玄奘则转越葱岭，开始一段从未走过的路线，也就是沿古时通西域的南道，向河西走廊行进。
行到毗罗那拏国时，住在那里的原那烂陀寺的同学师子光和师子月都跑来迎接，在二人的盛情邀请下，玄奘在那里开了两门课，讲授了两个月才离开。玄奘来到了阇烂达罗国，那里的乌地多王曾答应帮忙运送佛像、经典。玄奘把要托运的东西进行了一番整理，率领一行人进入了今巴基斯坦东北境。沿途有很多盗匪出没，玄奘来时就曾在这一带遭过洗劫。这一次玄奘想出了一个法子，他派人在队伍前，先告诉土匪他们所运的只是一些佛典之类不值钱的东西，请他们放行。果然玄奘一路上再没受到什么损害。后来迦湿弥罗王得到消息，特派专使来请玄奘旧地重游，玄奘婉言拒绝，称大象行动不便而继续上路。后来在一次渡河的时候，玄奘自己骑象，那些佛经和佛像都通过船来运送，一些人负责在船上照料，不料到了河心的时候，突然刮起一阵大风，船身左摇右晃，夹经本和花种都从船上掉了下来，无从救及。后来一行人来到了乌铎迦汉荼城，来迎接玄奘的迦毕试王告诉玄奘，自古以来，凡载运奇花果种的船渡河时都会遇到这种情况。玄奘只好派人到附近的乌仗那国将遗失的佛典重新抄写，因而又耽搁了五十多天。随后他们又来到了迦毕试国境内，国王派了一百多人协助玄奘越过兴都库什山。他们用了七天的时间才登上最高的那座山，那里终年积雪，寒风凛冽，人几乎无法站立，就连鸟的飞行都变得很艰难，只能挑选风小的地方活动。人无法骑马，只能相互搀扶着前行。
越过兴都库什山，往北进入活国。那位当年娶父王之妃的国王仍然在位。经过数国后，玄奘从一个年轻商人那里听到一个消息，高昌王已经去世了，玄奘就改变了原定的返回路线，改道而行。
原来高昌王送走玄奘后，仍与唐朝亲善，唐太宗特地赐他李姓，以示恩宠。高昌所在的吐鲁番盆地，原为西域各国进入中国的必经之路。后来不知出于什么缘故，高昌王经常扣留路过的各国贡使，还勾结西突厥企图攻打伊吾，大唐派使者训斥之后才放弃。后来高昌又与西突厥合攻其西的焉耆，焉耆国王忙向大唐请求支援，唐太宗就派遣大将侯君集、薛万彻率兵攻伐高昌。第二年，也就是曲女城大会的前一年，唐朝大军压境，高昌王忧虑而死。他的儿子和高昌的臣子全被押到了长安，高昌最终变成了大唐的西州，大唐在那里设置了统管西域的安西都护府。
玄奘一方面为高昌王的死感到悲哀，但另一方面，他也可以在大唐的盛世国力的威慑下，以天可汗的臣民身份，自由选择归国的路线，而不用担心太多的政治阻碍了。玄奘于贞观十七年（公元643年）出发向东边的帕米尔高原前进，途径几个国家，玄奘又进入了一片山区，来到了帕米尔高原上最大的帕米尔河边，玄奘说它“寒风凄劲，春夏飞雪，昼夜飘风……遂致空荒，绝无人止”。
经过几个山区国家，玄奘预备去一趟疏勒。不料途中碰到一批山贼，在混乱之中，那头负责载运经典、佛像的大象落水而死。他只好派人前往疏勒等地访抄经本。有一个叫利涉的西域僧人在去唐朝游学的途中与归国的玄奘相遇，就拜玄奘为师，成为玄奘的高足之一。马上就要回国了，玄奘心吵开始为当初偷渡出境之事感到担忧，另外，运送经书的大象死了，他也需要政府的帮助。于是，玄奘最终决定先上表皇帝，向太宗解释当年犯禁的苦衷，及出关后一路西行的感慨，还写道：“为所将大象溺死，经本众多，未得鞍乘，以是少（稍）停，不获奔驰早谒轩陛（无法早日见到皇上），无任延仰之至。”玄奘将信托由高昌人马玄智送往长安，自己则留在阗开讲经论，等待回音。七八个月之后，马玄智从京城带来了太宗的敕书，上面写道：“闻师访道殊域，今得归还，欢喜无量，可即速来与朕相见。”太宗还通令于阗以东各国沿路护送，敦煌的地方官前去迎接。玄奘大喜，一颗忐忑的心犹如拨云见日，豁然开朗，迫不及待地整装上路，就连寻觅佛典的人尚未归返也顾不得了。
玄奘从于阗王城东行三百余里至古战场，再东行三十余里至媲摩城。往东便进入流沙之地。大流沙中根本没有路迹可循，只有一些遗骨散乱地分布着，四顾茫茫，难分东西，定力不足很可能就会精神错乱。玄奘一行人终于来到古月氏地，最后行至鄯善。贞观十八年（公元644年）年底，玄奘辗转到达唐境，敦煌官员准备了人力鞍承，恭迎玄奘。来到沙州，他再度上表给太宗，当时太宗在东都洛阳，准备亲率大军远往高丽。
玄奘得知太宗即将亲征高丽，便快马加鞭地赶路，怕晚了就不知道何时能谒见圣上。一直赶到长安西南三十里处的一个通往京城的运河码头，看到正好有船待发，玄奘一行将所有行李搬上船，向京城急驶。
贞观十九年（公元645年）的正月，玄奘终于回到了长安。筹划接待的官员根本没想到他会这么快到达，准备工作还没完成，玄奘法师西天取经归来的消息早已经在长安城街上四处流传了。当玄奘一行到达时，整个码头人山人海，善男信女们争向船上的玄奘敬礼，挤得玄奘压根儿没法下船，索性当晚就在船上过夜。