玄奘回国的路线是：离钵罗耶那国后，中途路过侨赏弥国、毗罗删孥都城等到达阁兰国，这是北印度王都。到本国后，乌地王另派人引送玄奘到僧诃补罗国。
北方的百余僧人和玄奘同行，携带着经像，又到了嗢叉尸罗国。当继续北下到达信度河时，忽然风波乱起，船身几乎被淹没，五十夹经本失去。正在乌铎迦毕汉荼城的迦毕试王听到这个消息，亲自来到河边慰问，并帮助补全遗失经本。这以后向西北到达兰波国、阿薄健国、漕矩吒国，向南到代刺孥国，向北行至佛粟氏萨傥那国，向东到达迦毕试国，接着又穿过雪山，经历的苦难并不比来的时候少。后到达安怛罗缚婆国，又向西北行至活国，向东经过瞢健国、摩咀罗国、钵铎创那国。从此入葱岭，从东南又经过淫薄健国、屈浪阁国。又向东北行至达摩悉铁帝国，再东行便到波迹罗川。从此向东，登山履雪至蝎盘陀国。离开葱岭至乌锻国。从此北行至怯沙国，到达东南的斫句迦。继续东行至瞿萨旦那国，即于阗。于阗国王极力挽留玄奘，他只好又在那里住了七个多月，在闲余时间为当地众僧讲经说法。同时向唐政府请示行止。唐太宗知道后马上派人给玄奘送来亲笔信，信中写道：“得知您将从西边取经归来，我非常高兴。非常期待与法师能够早日会面。外国懂得梵文和佛教经义的人也可让他们到中国来。于阗等地已经派人马护送法师，我已经命令敦煌、鄯善等地的官员迎接法师。”玄奘得到敕令后立即出发，但进入大唐境内又是十分困难，从东面的媲摩城，到沙漠中的尼壤城，又至诅诛、旧楼兰地，可谓一路艰辛。到了沙洲，玄奘上书唐太宗，因唐太宗当时在洛阳，就命宰相房玄龄派人迎接。
唐贞观十九年（公元645年）正月二十四日，玄奘经过十七年，往返五万多里后，终重新回到唐都长安。他出国时年方二十几岁，返回时已是一个头发斑白、历经风霜的四十五岁老者了。玄奘进城那天，唐太宗派宰相房玄龄、长安令李乾祐、大将军侯莫陈实迎接。他从西域带回如来肉舍利一百五十粒、金佛像一尊，拟摩揭陀国前正觉山龙窟留影金佛像一尊。拟侨赏弥国出爱王思慕如来刻擅写真像刻檀佛像一尊，拟婆罗尼斯国鹿野苑初转法轮像刻檀佛像一尊，拟劫比他国如来自天宫下降宝阶像银佛像一尊，拟摩揭陀国鹫峰山说《法华》等经金佛像一尊，拟吠舍厘国巡城行化刻檀像等，拟那揭罗曷国伏毒龙所留影像刻檀佛像一尊，另外还带回大量经卷，其中包括《大乘经》二百二十四部，《大乘论》-百九十二部，《大众部》经律论一十五部，《上座部》经律论一十四部，《三弥底部》经律论一十五部，《弥沙塞部》经律论二十二部，《法密部》经律论四十二部，《迦叶臂耶部》-十七部，《说一切有部》经律论六十七部，《因明论》三十六部，《声论》-十三部。共记五百二十夹、六百五十七部，用二十匹马驮回。玄奘到达长安，唐太宗早已颁告各寺院准备迎接，只见寺院处处悬灯结彩，挂满宝帐、幡等物品，场面可谓盛大，另把新到的经、像安置于弘福寺内。二十五日这一天，在朱雀街两侧排满幢盖、幡帐、宝舆、宝案，一派富丽堂皇的景象。驮经、像的马匹前梵乐齐鸣，后拥薰炉，烟雾弥漫，众僧尼整服随行。从朱雀街到弘福寺门前数十里间，人山人海，接踵摩肩，文武官员，寻常百姓都站在道路两旁瞻仰。
二月，唐太宗在洛阳接见了玄奘。太宗赞他舍身求法，惠利苍生，并询问沿途所见的物产风俗、山川气象、佛教圣迹，以及张骞未见、《汉书》未记的种种问题。玄奘一一作答，深得太宗喜爱。于是太宗主持编写《大唐西域记》-书。随后，玄奘请求太宗帮助翻译从西域请得的梵本佛经。太宗一日答应了他的请求，安置玄奘在长安弘福寺译经，并以巨资征选各方得道高僧，组成一个以玄奘为中心的译经班子，可谓人才济济。唐太宗也不吝啬，物资供给极为丰富。
译经的工作从贞观十九年（公元645年）五月正式开始。玄奘手持《贝叶经》，开讲经文，带头创译《佛地经》、《大菩萨藏经》、《六门陀罗尼经》、《显扬圣教论》。然后又翻译了许多经卷，如《大乘阿毗达摩杂集论》、《瑜伽师地论》、（（因明入正理论》、《解深密经》、《大乘五蕴论》、《能断金刚般若经》、（（缘起圣道经》、《摄大乘论》、《百法明门论》、（（唯识三十论》。
贞观二十二年（公元648年），大慈恩寺建成后，玄奘主持寺务，移到新建成的大慈恩寺译经。又翻译《大乘大集地藏十轮经》、《受持七佛名号所生功德经》、《阿毗达摩俱舍论》、《大乘成业论》、《顺正理论》、《难提密多罗所说法经住记》、《陀罗尼》、《显无边佛士功德经》、《因明正理门论》、《瑜伽师地论释》。玄奘专心翻译，每日给自己制定需要完成的任务，若白天有事，必夜间赶出。常常废寝忘食，有时写到半夜才停笔，有时三更时小睡一会儿，五更又起来诵经，用朱笔点定，并安排次日翻译。每日黄昏，还要抽出二时讲新经论，答各方僧人疑难。由于过度辛劳，使他于高宗显庆元年（公元656年）一度病倒。玄奘病愈后，在高宗的关照下，居洛阳积翠宫休养，后又移居长安西明寺减少俗事应酬。无论居住何处，玄奘都译经不辍。又译了《大毗婆娑论》、《阿毗达摩》、《发智论》、《集异门足论》、《品类足论》、《大般若经》等等。在玄奘之前主要译师都是西域人或印度人，从未有中国人，玄奘是第一位精通印度多种语言的中国大译师，在某种意义上说，玄奘大师创造了总结性的成就，开创了中国译经史的新局面。因此，要论在佛籍翻译史上取得最高成就之人，当推玄奘大师。
玄奘的佛学造诣全面精深，文化素养极高，译书文采斐然；玄奘译经由众多高僧大才相辅，因而使他的译文更加凝炼精美，既保持了西域的特有文貌，又充分显示了汉文的古典优雅，可谓翻译史上的“绝唱”。
玄奘对佛教极有研究，又精通中文、梵文，同时忠于事业，所译的佛经不仅准确，而且文章词藻恰如其分，在中国翻译史上写下了划时代的一页。他的翻译方法，在直译的同时配合意译，既不损原意，又便于读者了解，佛经的“新译”时期自此开始。他极为认真严谨地对待翻译，在翻译某一部作品之前，总要先把这部作品不同的本子搜罗齐备，认真仔细地进行较勘，使译本更加完善。对已有译本的，他如要再译，就认真地参考旧译，取舍得当，并尽量吸收旧译的可取之处。集体翻译的方法也被玄奘所采用，他邀请国内有学问的高僧，根据各人所长、分工合作，由众人合力完成佛经的翻译。玄奘就这样坚持工作了十九年，直到逝世。在十九年中间，他平均每年译经七十卷。而最后四年之间，提高到年译一百七十卷之多。他在去世前一年冬天，完成了我国佛教经典中卷帙最大的《大般若经》六百卷。在十九年的工作后，玄奘共译经论七十四部，一千三百六十五卷。玄奘无疑是我国翻译史上的不朽巨匠。
在翻译佛经之余，玄奘还完成了一部《大唐西域记》十二卷。这部书记载了在十多年旅行中，玄奘所经历的一百一十个国家和所传闻的二十八个国家，一共一百三十八个国家的地理位置、历史沿革、风土人情、物产情况、宗教信仰等等。他的弟子辩机根据玄奘口述进行记录。这是我国历史上的一部影响很大的书籍，是记载中亚细亚、巴基斯坦和印度古代历史、地理的最详实的书籍。该书文字生动流畅，使人读了之后有身临其境之感。近百年来，该书先后被译成英、德、法、日、俄等文字，并且出现了不少专门研究这部书的专家学者。它对于研究整理公元七世纪时中亚和印度的模糊不清的历史地理起了很大的作用。考古学者根据书中的记载，探查挖掘出阿旃陀的石窟、鹿野苑的古刹、那烂陀寺的遗迹，更有力地证明了《大唐西域记》的可靠之处。
《老子》也被玄奘翻译成梵文，介绍给印度。他又把印度已失传的（（大乘起信论》还译为梵文，印度的古代经典著作得以保存下来。玄奘的（（成唯识论》反映了他的主要佛学思想。这部书解释了（（唯识三十颂》，是玄奘融合唯识十家而作。
从佛学渊源上讲，唯识宗出于古印度大乘佛教的瑜伽行派，唯识宗因主张“万法唯识”而得名。唯识宗的创立者是玄奘及其嫡传弟子窥基，所依经典有《瑜伽师地论》、《解深密经》等六经十一论，《成唯识论》是其代表著作。
玄奘照搬古印度大乘佛教的瑜伽行派形成了唯识宗这个佛教宗派，与唐王朝的经济基础不相适应，缺乏长期生存的土壤。玄奘初创，窥基使其进入全盛，但之后便迅速衰微下去。
麟德元年（公元664年）二月初五，这一学究天人、行迈古人、朝野共仰、中外同钦的一代伟大学者于玉华寺圆寂。这一消息传出后，唐高宗为之流涕，文武百官为之痛哭，僧侣为之奔走哀号，全国上下谚经之人无不顿足心伤。四月十四日，玄奘大师在终南山下白鹿原安葬时，前来为他送葬的有长安周围五百里内百余万人，三万余人挂孝宿于墓旁。至总章二年（公元669年）四月初八，诏旨徙葬于樊川北原，营建塔宇。迁殡之际，众人哀恸，就像他刚刚圆寂之时。可称生荣死哀，空前绝后。至于玄奘为学献身的精神和伟大的成就，一直是后人的典范。