玄奘离开高昌后，取道阿耆尼国(Agni，即梵文“火焰”的名词，今新疆天山之喀喇沙尔)、屈支(今新疆库车)、凌山(又名冰达板，今天山山脉的腾格里山耶木素尔岭)。史载凌山高入云端，冰雪终年不化。攀登时，只能“悬釜而饮，席冰而寝。”然后再走叶城、迦毕试国、赤建国(今苏联塔什干)、飒秣建国(今撒马尔罕城之东)、葱岭、铁门，到达货罗国(今葱岭西、乌浒河南一带)故地。南下经缚喝国(今阿富汗北境巴尔赫)、揭职国(今阿富汗加兹地方)、大雪山、梵衍那国(今阿富汗之巴米扬)、犍双罗国(今巴基斯坦白沙瓦及其毗连的阿富汗东部一带)、乌伏那国(巴基斯坦之斯瓦特地区)，到达迦湿弥罗国。进入北印度后，玄奘先瞻仰佛教圣迹，之后到磔迦国(今巴基斯坦旁遮普)从一老婆罗门学《经百论》、《广百论》。到至那仆底国(今印度北部之菲罗兹布尔地方)从毗腻多钵腊婆(调伏光)学《对法论》、《显宗论》;到阇烂达罗国(今印度北部贾朗达尔)从旃达罗伐摩(月胄)受学《众事分毗婆沙》;到窣禄勤那国(今印度北部罗塔克北)从阇那多学《经部毗婆沙》;到秣底补罗国(今印度北部门达沃尔)从蜜多犀纳受《辩真论》、《随发智论》;到曲女城(今印度北方邦坎诺吉城)从累缡耶犀纳学《佛使毗婆沙》、《日胄毗婆沙》，足迹遍及四十余国。
贞观五年(631)，玄奘又进入中印度的摩揭陀国的达伽耶城(今印度比哈尔邦的巴特那和加雅地区)的那烂陀寺(Na^landa^，意译施无厌寺)从寺主戒贤受学，并被选为通晓三藏的十德之一。那烂陀寺具有七百余年的历史，是当时印度佛教的最高学府，受到国家的供养。常住僧人四千多，加上各种客居僧人、俗家弟子等将近万人，当时的寺院主持戒贤法师已逾百岁，学术思想自由活跃。玄奘终于求学到了《十七地论》，还听了戒贤主讲了《顺正理论》、《显扬圣教论》、《对法论》、《集量论》、《中论》、《百论》，以及因明(即逻辑学)、声明(即音韵学)等学问。期间，又兼学各种婆罗门书。玄奘在这里的时间长达五年。
在那烂陀寺，能精通二十部经论的有一千余人，精通三十部经论的有五百多人，而精通五十部经论以上的则有九人。玄奘被戒贤主持任命为三藏法师[1]。在那烂陀寺，能享受上宾待遇的包括玄奘在内仅有十人，玄奘在这里每天可以享用瞻步罗果一百二十颗、槟榔子二十颗、豆蔻二十颗、龙脑香一两。最值得一提的是，还可享用专供国王和高僧的“供大人米”，形大如乌豆，数时香飘百步，日供一升，酥、乳随意取用。出入则有侍从和车舆。
贞观十年(636)，玄奘离开那烂陀寺，先后又到伊烂钵伐多国(今印度北部蒙吉尔)、萨罗国、安达罗国、驮那羯碟迦国(今印度东海岸克里希纳河口处)、达罗毗荼国(今印度马德拉斯市以南地区)、狼揭罗国(今印度河西莫克兰东部一带)、钵伐多国(约今克什米尔的查谟)访师参学。他在钵伐多国停留两年，悉心研习《正量部根本阿毗达磨论》及《摄正法论》、《成实论》等。
贞观十三年(639)，玄奘又返回那烂陀寺。戒贤安排玄奘以留学生的身份主持讲席，玄奘先后为全体僧众讲授《摄大乘论》及《唯识决择论》等。
玄奘钻研各种佛经所取得的成就，得到了天竺各界的尊崇。在天竺，由于大乘和小乘的纷争，各国国王便把统一的希望寄托在唐朝玄奘身上。东印度的迦摩缕波国(今印度阿萨姆地区)国王鸠摩罗派遣使者邀请玄奘设坛讲经。戒贤本意是让玄奘返回唐朝，因而，戒贤出面代玄奘谢绝了鸠摩罗国王的邀请，不料，鸠摩罗国王便以武力威胁，如果戒贤和玄奘不答应，那他就只好发兵那烂陀寺，将其踏碎如泥。戒贤迫于鸠摩罗的威胁，只好同意玄奘前往。此时，北印度羯若鞠阇国(梵文Kanya^kubja或Ka^nya-kabja，又作葛那及国、迦那鸠阇国、伽那慰阇国、罽饶夷国。意译曲女、妙童女)戒日王听说玄奘正在迦摩缕波国讲学，便遣使者请鸠摩罗急送玄奘来羯若鞠阇国。鸠摩罗终不理睬戒日王，戒日王非常恼怒，于是，两王之间为争夺玄奘法师而发生纷争，差点动武。
贞观十六年(642)，鸠摩罗和戒日王协商的最终结果是决定在羯若鞠阇国的首府曲女城(今印度北方邦坎诺吉城)召开又玄奘法师主讲的学术辩论大会。消息一出，有中东西南北五部天竺(今印度、巴基斯坦一带)的十八个国家的国王、通晓大、小乘的僧人三千及外道二千人参会。那烂陀寺也派来了一千余人与会，还有不计其数的观礼者。在这次大会上，玄奘宣讲自己撰著的《会宗论》和《制恶见论》，以阐发大乘精义。随后再由明坚法师抄写一份张贴在会场中心，征求辩论，任人问难。在场五千僧众，仅有数人诘问。就这样等待了十八天，无人敢与玄奘辩难，玄奘因此威震全天竺，被大乘行者誉为“大乘天”，被小乘教徒誉为“解脱天”。在学术答辩会结束后，戒日王又坚请玄奘参加他们国五年一度、历时七十五天的无遮大会，并按照传统礼仪，牵来饰有锦幢的大象，请玄奘坐于象背，由大臣陪同巡游。所到之处，群情激昂，欢呼雀跃。
贞观十七年(643)春，玄奘谢绝戒日王的再三挽留，携带佛经六百五十七部及佛像、花种等返回长安。在离开北印度羯若鞠阇国之前，戒日王给了玄奘丰厚的赏赐以及通行的文书，玄奘感激之余仅仅留下了途中所需之物。回国时，玄奘改由南路进发，即从葱岭南端翻越大山，经于阗国(Ku-stana，今新疆和阗)。
贞观十九年(645)正月二十五日，玄奘法师返抵长安。身在洛阳的太宗诏命长安留守、宰相房玄龄等朝廷要员为玄奘的归来举行隆重的欢迎仪式。根据史书记载，当时在长安城就出现了“道俗奔迎，倾都罢市”的局面。五天后，玄奘亲往洛阳谒见太宗，太宗盛情款待。就在发兵的前一天，太宗力邀玄奘随他一道亲往辽东为征讨的将士超度。玄奘借口途中劳累婉言谢绝。太宗又劝其还俗出仕，亦被玄奘婉言谢绝。
玄奘法师西天取经，历时十六年，行程约五万里，是中国中古史上的一次艰险而伟大的旅行。玄奘向太宗请求想在幽静的少林寺译经，太宗不答应。按照太宗的安排，玄奘法师将在太宗为其母亲修建的弘福寺开设译场。在玄奘法师的亲自主持下，弘福寺译场由译主、证义、证文、书手、笔受、缀文、参译、刊定、润文、梵呗等十道环节组成，突破了鸠摩罗什以来的意译局限，达到了文从字随以及文意相切意境。
