西北印度原为小乘佛教的化区，特别是迦湿弥罗与犍陀罗一带，更是说一切有部与经量部的重镇。玄奘既到了那里，除朝礼佛教圣迹之外，便亲近小乘佛教大德，学习《倶舍》、《婆沙》、《六足》阿毗昙等重要的小乘圣典，同时，他又从印度婆罗门教学者，研究《吠陀》哲学。随后，他自西北印度往中印度进发，沿着恒河东下，继续求法朝圣的行旅生活。一次，他在恒河的旅途中，被强盗劫持，强盗见他眉清目秀，仪表非凡，要杀他以祭天神。当强盗正欲行害之际，突然天昏地暗，狂风大作，沙土飞扬，雷雨大作，树倒枝折，强盗以为触犯天怒，经询及同行的人，才知他是大唐国前来求法的高僧。于是强盗忏悔求恕，改邪归正。这一消息，不胫而走，迅速传遍印度，玄奘的声名，也随着深印在印度人的脑海之中。
玄奘继续沿着恒河东下，直到中印度摩揭陀国，进入那烂陀寺求法。他在那烂陀寺一住便是六年，从戒贤论师研究法相唯识学。那时，那烂陀寺为印度全国佛教最高学府，名闻遐迩，里面住着一万余人，各科知名学者甚多，戒贤论师为全寺中最高导师。玄奘因是远道前去求法的外国学僧，特别受到戒贤论师的关注与器重，将他列入十位上首弟子之内，过着特殊而优待的生活。玄奘在这六年之中，学习《瑜伽师地论》、《正理门论》、《显扬圣教论》、《中论》、《百论》、因明、声明及《集量论》等，此外，他还旁及婆罗门教典籍，以及印度六派哲学的思想理论。随后，他离开那烂陀寺，继续南游，求法朝圣，又亲近胜军论师三年，研究《唯识抉择论》、《意义论》、《成无畏论》、《十二因缘入论》，以及关于瑜伽、因明等许多问题。贞观十六年（642），玄奘游罢南印度，回到一别数年的那烂陀寺，此时他已经不是一个学僧，而被晋升为一名教授。他奉戒贤之命，在寺内讲《摄大乘论》及《唯识抉择论》。那时，适逢师子光论师也在那烂陀寺讲龙树中观学派的《中论》与《百论》，专以性空立场破斥瑜伽唯识。因此，玄奘在授课之余，并著《会宗论》三千颂，以融会中观与瑜伽行两大学派之争端，说明他对空、有争论的看法。印度大乘的分裂，乃由清辨（490-570）所引起，他著《中观心论释思择焰论》，第五品《入抉择瑜伽师真实品》，指名道姓地批驳瑜伽行学派之宗义。戒贤是护法的嫡传弟子，师子光是中观学派清辨一系。他们各抱极端的见解，在那烂陀寺无人能有调和融通之能力。据《慈恩传》卷四载：“玄奘法师妙闲《中》、《百》，又善《瑜伽》，以为圣人之教，各随一意，不相违妨；惑者不能会通，谓为乖反；此乃失在传人，关于法也？愍其局狭，数语征诘，复不能酬答，由是学徒渐散而宗法师。”说明玄奘曾与师子光当面有过辩论而使其无言可答，师子光的学徒离散而改宗玄奘，于是玄奘乃会和中观、瑜伽两大学派的宗旨，而写成这部《会宗论》。论成，呈戒贤及大众，无不称善。此论一出，不仅那烂陀寺万人钦佩歌颂，没有多久，便传遍印度各阶层，而破瑜伽唯识的师子光论师，竟惭赧地退出了那烂陀寺。
不久，又有顺世学派的论师到那烂陀寺论难，玄奘一一加以破斥而使折服。后来有南印度摩腊婆国王师般若毱多（慧藏），系小乘正量部学者，依其部执作了《破大乘论》七百颂，诽谤大乘非佛说。当时印度各邦的盟主为戒日王，他是一位虔诚笃信的佛教徒，请那烂陀寺派四位大德去乌荼国辩论，玄奘奉戒贤之命，亦膺其选，但未能成行，于是写了《破恶见论》一千六百颂以代面论。这部文论，是给反对大乘的一切小乘部派及外道的一个总答辩，内容相当广泛，发挥了大乘佛学的精义，显示大乘佛教的殊胜，使小乘佛教学者无以反击。玄奘的这部论典，赢得了戒日王的激赏与赞佩，流行于全印度，而为小乘佛教学者及外道哲学派别的论师所畏服。于是，戒日王和另一强国之鸠摩罗王，率先皈依玄奘法师。
玄奘法师决定回国。贞观十六年腊月，恰逢五年一度的无遮大会会期，戒日王借此机会欲使全印度的学者一决这一场是非，戒日王敕诸义解之徒，集会曲女城，举行无遮辩论大会。与会有十八国王（一说为十国王）及各国大小乘比丘三千余人，那烂陀寺学僧一千人，婆罗门、耆那教徒及尼乾子学派等外道二千余人，共计七千余人。戒日王和鸠摩罗王的象军、马军与四万多艘兵舰参加，真是盛况空前。一切布置及费用，皆由戒日王供给。大会的布置，分门别类，庄严华饰，除了给诸国王特设座位外，还有学者评判座，并为玄奘大师特备百宝床座，奉为论主。在这会场上，将玄奘的《破恶见论》悬挂，征求辩难。但据窥基《因明入正理论疏》卷四记载，玄奘在曲女城无遮大会上提出的是《真唯识量》（或者此一比量，就出于《破恶见论》之内），全文只有五句二十三字：
真故极成色，定不离眼识，
自许初三摄，眼所不摄故。
如眼识。
这三段论式的《真唯识量》，完全是用哲学形式写成。戒日王请那烂陀寺明贤论师读示大众，大师另写一份悬在会场门外宣示：“若期间有一字无理，能有人难破者，玄奘愿斩首相谢！”会议经过十八天，竟无一人敢与大师论难。于是，戒日王在大会场中，高举玄奘的袈裟衣角，对众宣布：“支那国法师，立大乘义，破诸异说，经十八日来，无敢论者，普宜知之！”会众亦感佩大师盛德，竟呼大师为“大成学者”，赠大师为“麻哈耶那提婆”（意为“大乘天”）；小乘学者竟立为“木叉提婆”（意为“解脱天”）。玄奘的声誉，如日中天，轰动五天竺，许多学者、国王礼他为师，大师俨然成了印度宗教哲学的最高权威，标志着中国佛学已经超越了印度。
玄奘大师还有一部《三身论》三百颂，是赞扬佛德的作品。有关记载的文献甚微，大约是玄奘为酬答鸠摩罗王有德而写的一篇著述。因为当时那烂陀寺有些称为“佛地论师”的学者，依据《佛地经》义，将“三身”和唯识“四智”理论结合起来，已得着新意的发展。所谓“转八识以成四智，来四智以具三身”，是其特点。玄奘相继其学，并加以发挥，产生了一定的影响，以及《现观庄严论》者等瑜伽、中观混合派的说法，也起了作用。
曲女城辩论会完毕，十八国王尽皈依称弟子。玄奘拟辞行返国，但戒日王坚留不放，认为这是千年罕遇、万劫难逢的大唐高僧，岂能错过弘法、供养、作福的大好机会。同时，戒日王也想借此要更多的印度人民来共同瞻仰这位“松风水月，未足比其清华；仙露明珠，讵能方其朗润；超出六尘而回，只千古而无对”（唐太宗《圣教序》）的外国大师的威仪风采，所以戒日王再度邀集十八国王，恳请玄奘前往首都钵罗耶迦，开了七十五日的无遮布施大会，隆重为玄奘大师饯行。戒日王把国家多年积储的金银珠宝，连他自己的王冠与宝座也以义卖的方式出售，全部作为法会的布施供养。据史载参加法会的王公大臣、学者民众共达五十多万人领受布施。法会之后，玄奘向戒日王等十八国国王辞行，诸王以大象一头，马数十匹，金钱三千，银钱一万，供其旅资，并遣重臣致函于玄奘大师行经各国，令发乘递送，终至汉境为止。
在玄奘未曾返国之前，于贞观十五年（641），戒日王特派使臣到长安，向唐王朝臣，自是信使往来，不绝于途，前后凡十数次。玄奘以一个留学比丘的身份，不用一兵一卒，不花一文钱，竟替国家完成了中印史上最伟大的外交。所以，在唐朝廷上下，玄奘未归前已是声誉四布。贞观十九年（645）正月，玄奘载誉归来，备受长安朝野各界欢迎，万人空巷，夹道欢呼，极一时之盛。那时，唐太宗住在洛阳，玄奘稍作休息，便东下晋谒太宗，陈述西行求法经过，深获唐太宗嘉许礼敬。他奉太宗之命撰述西行之所见闻，这便是后来写成的《大唐西域记》。
唐太宗因慕玄奘之才，曾数度要他还俗辅政，常随左右，均为玄奘所婉拒。他从洛阳回到长安，得到太宗的有力护持，支持他在弘福寺召集全国佛教学者，成立译经道场，自任译主，从事伟大而艰巨的译经工作。据《续高僧传》说：“奘师于弘福寺创开翻译，召集沙门慧明、灵润等以为证义；沙门行发、玄颐等以为辍辑；沙门智证、辩机等以为录文；沙门玄模以证梵语；沙门玄应以定伪学。”从这一人事安排上看，可知玄奘的翻译是如何认真而审慎了。后来唐高宗李治，为纪念其母长孙皇后，在长安建造大慈恩寺，特请玄奘大师居住，玄奘的译场就迁移到大慈恩寺去了。
玄奘自太宗贞观十九年（645）四月三十日在弘福寺开始译经，直至高宗麟德元年（664）正月绝笔。他在这十九年中，共计译出经典七十五部，一千三百四十六卷，卷帙之多，实为中国译经史上之创举。依《大藏经总目录》，其译按分部及经序、卷数分列于下：
阿含部 一部
（1）124《缘起经》一卷，龙朔元年（661）
般若部 二部
（2）220《大般若波罗蜜多经》六百卷，显庆五年至龙朔三年（660-663）
（3）251《般若波罗蜜多心经》一卷，贞观二十三年（649）
华严部 一部
（4）289《显无边佛土功德经》一卷，永徽五年（654）
宝积部 二部
（5）310《菩萨藏会》、《大菩萨藏经》二十卷，贞观十九年（645）
（6）367《赞净土佛摄受经》（即《阿弥陀经》）一卷，永徽元年（650）三译
涅槃部 一部
（7）390《佛临涅槃记法住经》一卷，永徽三年（652）
大集部 一部
（8）411《大乘大集地藏十轮经》十卷，永徽二年（651）
经集部 十四部
（9）436《受持七佛名号所生功德经》一卷，永徽二年（651）
（10）450《药师琉璃光如来本愿功德经》一卷，永徽元年（650）三译
（11）476《说无垢称经》六卷，永徽元年（650）七译
（12）515《如来示教胜军王经》一卷，贞观二十三年（649）
（13）592《天请问经》一卷，贞观二十三年（649）
（14）648《寂照神变三摩地经》一卷，贞观二十三年（649）
（15）676《解深密经》五卷，贞观二十一年（647）再译
（16）680《佛学佛地经》一卷，贞观十九年（645）
（17）689《甚稀有经》一卷，贞观二十三年（649）三译
（18）691《最无比经》一卷，贞观二十三年（649）再译
（19）714《缘起圣道经》一卷，贞观二十二年（648）六译
（20）717《分别缘起初胜法门经》二卷，永徽元年（650）再译
（21）765《本事经》七卷，永徽元年（650）
（22）840《称赞大乘功德经》一卷，永徽五年（654）
密教部 九部
（23）918《诸佛心陀罗尼经》一卷，永徽元年（650）
（24）1034《咒五首》
（25）1071《十一面神咒心经》一卷，显庆元年（656）
（26）1094《不空羂索神咒心经》一卷
（27）1162《持世陀罗尼经》一卷
（28）1360《六门陀罗尼经》一卷
（29）1363《胜幢臂印陀罗尼经》一卷，永徽五年（654）
（30）1365《八名普密陀罗尼经》一卷，永徽五年（654）
（31）1396《拔济苦难陀罗尼经》一卷，永徽五年（654）
律部 二部
（32）1499《菩萨戒羯磨文》，弥勒说，一卷，贞观二十三年（649）
（33）1501《菩萨戒本》，弥勒说，一卷，贞观二十三年（649）
释经论部 一部
（34）1530《佛地经论》，亲光菩萨等造，七卷，贞观二十三年（649）
毗昙部 十三部
（35）1536《阿毗达磨集异门足论》，舍利子说，二十卷，显庆五年至龙朔三年（660-663）
（36）1537《阿毗达磨法蕴足论》，大目犍连造，十二卷，显庆四年（659）
（37）1539《阿毗达磨识身足论》，提婆设摩造，十六卷，贞观二十三年（649）
（38）1540《阿毗达磨界身足论》，世友造，三卷，龙朔三年（663）
（39）1542《阿毗达磨品类足论》，世友造，十八卷，显庆五年（660）
（40）1544《阿毗达磨发智论》，迦多衍尼子造，二十卷，显庆二年至五年（657-660）
（41）1545《阿毗达磨大毗婆沙论》，五百罗汉等造，二百卷，显庆元年至四年（656-659）
（42）1554《入阿毗达磨论》，塞建陀罗造，二卷，显庆三年（658）
（43）1555《五事毗婆沙论》，法救造，二卷，龙朔三年（663）
（44）1558《阿毗达磨俱舍论》，世亲造，三十卷，永徽二年（651）
（45）1560《阿毗达磨俱舍论本颂》，世亲造，一卷，永徽二年（651）
（46）1562《阿毗达磨顺正理论》，众贤造，八十卷，永徽四年至五年（653-654）
（46）1563《阿毗达磨藏显宗论论》，众贤造，四十卷
中观部 三部
（48）1570《广百论》一卷，永徽元年（650）
（49）1571《大乘广百论释论》圣天本，护法释，十卷，永徽元年（650）
（50）1578《大乘掌珍论》，清辨造，二卷，贞观二十三年（649）
瑜伽部十九部
（51）1579《瑜伽师地论》，弥勒菩萨说，一百卷，贞观十九年至二十二年（645-648）
（52）1580《瑜伽师地论释》，最胜子等造，一卷，永徽六年（655）
（53）1585《成唯识论》，护法等造，十卷，显庆四年（659）
（54）1586《唯识三十颂》，世亲造，一卷，贞观二十二年（648）
（55）1590《唯识二十论》，世亲造，一卷，龙朔元年（661）
（56）1594《摄大乘论本》，无著造，三卷，贞观二十二年（648）
（57）1597《摄大乘论释》，世亲造，十卷，贞观二十二年（648）
（58）1598《摄大乘论释》，无性造，十卷，贞观二十二年（648）
（59）1600《辩中边论》，世亲造，三卷，龙朔元年（661）经
（60）1601《辩中边论颂》，弥勒菩萨造，一卷，龙朔元年（661）
（61）1602《显扬圣教论》，无著造，一卷，贞观十九年（645）
（62）1603《显扬圣教论颂》，无著造，一卷，贞观十九年（645）
（63）1605《大乘阿毗达磨集论》，无著造，七卷，永徽三年（652）
（64）1606《大乘阿毗达磨杂集论》，安慧糅，十六卷，贞观二十年（646）
（65）1609《大乘成业论》，世亲造，一卷，永徽二年（651）
（66）1612《大乘五蕴论》，世亲造，一卷，贞观二十一年（647）
（67）1614《大乘百法明门论》，世亲造，一卷，贞观二十二年（648）
（68）1615《王法正理论》，弥勒造，一卷，贞观二十三年（649）
（69）1624《观所缘缘论》，陈那造，一卷，显庆二年（657）
论集部 二部
（70）1628《因明正理门论本》，大域龙造，一卷，贞观二十三年（649）
（71）1630《因明入正理论》，商羯罗主造，一卷，贞观二十一年（647）
史传部 三部
（72）2030《大阿罗汉难提多罗所说住法记》一卷
（73）2031《异部宗轮论》，世友造，一卷，龙朔二年（662）
（74）2087《大唐西域记》十二卷，贞观二十年（646）
事汇部 一部
（75）2138《胜宗十句义》，慧日造，一卷，贞观二十三年（649）
以上共计七十五部一千三百四十六卷，成书之年，系依梁任公之《佛典之翻译》；然其中《大阿罗汉难提多罗所说住法记》梁任公为永徽九年，唐高宗李治于永徽六年（655）即改元显庆，明显有误，待考。