郭元振又让甘州刺史李汉通实行屯田政策，充分利用当地的河流土地从事农业生产。此前，凉州地区的谷子每斛高达数千钱，而屯田后，一匹细绢就可以换到数十斛粮，积存的军粮可供数十年之用。郭元振擅长安抚、统治百姓，在凉州任职的五年中，深受当地各族百姓敬仰，并且法令严正，军纪严明，使得治下牛羊遍野，路不拾遗。
后来，突骑施首领乌质勒部落强盛，表示愿意与唐朝通和，郭元振便到突骑施牙帐商议军事事宜。当时，天降大雪，郭元振立于帐外，与乌质勒会谈。大雪愈积愈厚，郭元振足不移地，而乌质勒因年老体弱，不耐严寒，会谈结束后竟被冻死。乌质勒的儿子娑葛认为是郭元振设计害死父亲，打算率兵袭击唐军，副使御史中丞解琬闻讯，劝郭元振连夜逃走。郭元振道：“我以诚心对待他们，又有什么可以怀疑和害怕的呢！再说我们都在他们的势力范围之内，就算是想逃走，又能逃到哪里去呢？”
次日，郭元振身穿素服前往吊唁，半路上遇到娑葛的士兵，敌军没料到郭元振会来，也不敢轻举妄动，忙说是来迎接他的。郭元振走进帐中，吊唁赠礼，哭得非常悲伤，并留下帮助料理丧事，娑葛被郭元振的诚意打动，向唐朝派去使者，进献良马五千、骆驼二百、牛羊十余万。不久，朝廷任命郭元振为金山道行军大总管。
娑葛与阿史那阙啜忠节不和，多次发生冲突，阙啜忠节由于兵少将微，逐渐不敌，郭元振遂奏请将阙啜忠节召入京师宿卫，将其部落迁徙到瓜州、沙州一带。阙啜忠节率部东撤，在播仙城与唐朝西域经略使、右威卫将军周以悌相遇，周以悌劝他不要入朝，贿赂宰相宗楚客、纪处讷，联合安西军与吐蕃军共击娑葛，并求册阿史那献为可汗，以招抚突厥十姓人马，这样既能报娑葛相欺之仇，又可以保住对部落的控制，胜于入朝受制于人。阙啜忠节深以为然，便率军攻陷于阗坎城，并遣使厚贿宗楚客、纪处讷。
郭元振听到这个消息后，当即上疏，极力劝阻，并认真分析了当前的形势，指出如果将吐蕃引入西域，会引发安西四镇的危机，同时认为阙啜忠节所求立的阿史那献同阿史那元庆、阿史那斛瑟罗一样，都无过人之才，但是，朝廷没有接受他的建议。不久，朝廷派御史中丞冯嘉宾持节安抚阙啜忠节，侍御史吕守素处理四镇事务，任命牛师奖为安西副都护，统领甘州、凉州兵马，联合吐蕃一起进击娑葛。
娑葛的使者娑腊此时正在长安，闻讯后立即赶回，通报娑葛，娑葛大怒，发动四路兵马，分别攻打安西、拨换、焉耆、疏勒。由于娑葛兵势甚盛，郭元振屯兵疏勒，设栅于疏勒赤河河口，不敢出击，娑葛趁阙啜忠节迎接冯嘉宾时，派兵偷袭，生擒阙啜忠节，杀死冯嘉宾。不久，吕守素、牛师奖先后遇害，娑葛乘胜攻陷安西，断绝四镇之路。
宗楚客又奏请以周以悌为安西大都护，征召郭元振入朝，并册封阿史那献为西突厥十姓可汗，派军进驻焉耆，讨伐娑葛。娑葛写信给郭元振道：“我与汉人本来没有矛盾，只是与阙啜忠节有仇。但是宗尚书接受阙啜忠节的贿赂，毫无道理地想发兵攻破我的部落，并且冯中丞和牛都护相继率军而来，我又岂能坐以待毙！我听说阿史那献也将来到此地，他的到来只会使安西四镇冲突增多，恐怕今后难以有安宁的日子好过。请您看着怎么解决吧。”
郭元振便将娑葛的信呈给唐中宗，宗楚客大怒，奏称郭元振有不臣之心，征他入朝，准备治罪，郭元振派儿子郭鸿走小路将实际情况向唐中宗一一奏明，请求留在西域稳定局势，不敢返回朝中。不久，周以悌被流放白州，唐中宗再次任命郭元振为安西大都护，下诏赦免娑葛的罪行，并册立为十四姓可汗。
宗楚客等人在政变中被杀，唐睿宗继位，郭元振被征拜为太仆卿，加银青光禄大夫。郭元振离任时，安西各部落的酋长有的甚至划破脸面、痛哭相送，刚刚行到玉门关，离凉州还有八百里时，凉州百姓就已经准备好壶浆欢迎。郭元振被任命为同中书门下三品，接替宋璟出任吏部尚书。不久，郭元振又改任兵部尚书，封馆陶县男。
唐睿宗退位，唐玄宗继位，郭元振出任朔方军大总管，修筑丰安、定远城，使戍守军队得以有屯驻之所，以兵部尚书之职再次担任同中书门下三品。唐玄宗诛杀太平公主，郭元振亲自率兵“保护”太上皇唐睿宗，在中书省宿卫十四夜，因功进封代国公，不久加官御史大夫、天下行军大元帅。后来，郭元振出朝任职朔方军大总管，防备突厥。
唐玄宗在骊山举行军演，并亲自擂鼓，郭元振突然出班奏事，打乱了军演，唐玄宗见军容不整，非常生气，命人将郭元振立即斩首。刘幽求、张说劝谏道：“郭元振立过大功，即便犯了重罪，也应当予以宽恕。”唐玄宗便赦免了郭元振的死罪，将他流放到新州。不久后，唐玄宗念及郭元振昔日功劳，在受尊号时专门特赦郭元振，起复他为饶州司马。郭元振遭此挫折，心情抑郁，在赴任途中病逝，终年五十八岁，朝廷追赠郭元振为太子少保。
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