631年秋天，四年跋涉后玄奘抵达那烂陀。这儿是佛陀曾经说法的芒果园所在地。在那烂陀一望无际的平原上，有个突出的山峰鹫峰，佛陀曾在此处的精舍讲经修行。佛陀涅槃后，弟子们在此处进行了第一次结集，佛教最早的典籍就出自这里。舍利弗后来也在此处讲经，他涅槃后后人修建了舍利弗塔。5世纪那烂陀成为佛教中心，7世纪玄奘到达时，佛教已经衰退，那烂陀是印度最后一朵佛教奇葩。当时那烂陀的主持戒贤法师已年过百岁，冥冥之中等来了这位来自大唐的学生。玄奘的拜师礼非常隆重，这应该也是32岁的玄奘最为幸福的一刻。玄奘用最美的语言描绘了这座独一无二的学府，“宝台星列、琼楼岳峙、观竦烟中，殿飞霞上，生风云于户牖，交日月于轩檐，宝阁重重、僧院林立，虬栋虹梁、绿栌朱柱”。僧徒主客常有万人，不仅教习大乘学说，还学习世俗经典、医学、数学”。那烂陀能够读解20部经论者1000人，30部者500人，50部者包括玄奘在内有10人。戒贤法师穷览一切经卷，是所有人的导师。古印度的国王用100多个城镇的税收供养那烂陀，另外还有专门的 200户人家供应粳米和酥乳。那烂陀的学生们可以专心研习佛法，没有后顾之忧，在这里学问高于一切。玄奘受到极致的礼遇，他出行可以乘坐象舆，这是古印度最尊贵的出行方式；每日供应有瞻步罗果120枚、槟榔20颗、豆蔻20颗、龙脑香1两、米一升，酥乳随要随取。
632年春天，年过百岁的戒贤法师专门为玄奘开讲《瑜伽师地论》，用了15个月的时间讲完了这部4万颂的经书。瑜伽师地论规模宏达、体系完备，非常人能通晓。玄奘在那烂陀学习了整整5年，将瑜伽师地论通读了3遍，还研究了逻辑学和古梵文。随后3年的时间玄奘走遍了整个印度。639年游学的玄奘做了一个梦，“院子里系着水牛，庙里没有一个僧侣，寺外火光冲天，村庄化为灰烬，那烂陀一片荒芜”。菩萨在梦中告诉玄奘，应该早点回故土了，那烂陀十年后将会陷入混乱。640年春天玄奘返回那烂陀，他计划早日返回大唐。但戒贤希望玄奘能开设讲坛，和一个攻击瑜伽派的高僧辩论。古印度的辩经非常激烈，是高手之间的生死对决。失败者要么销声匿迹，要么改换门庭，甚至结束生命。玄奘开设讲坛辩经，随着辩论的深入，学生们都汇集到玄奘门下，对手逃跑了。玄奘的声名开始流传，胜利是一把双刃剑，带给玄奘一场场不期而遇的辩经，羁绊住玄奘归心似箭的东归之路。东印度的国王要召见玄奘，被拒绝后威胁道，“我本是凡夫俗子，向来沉溺在尘世的欢乐中，现在听说了中国僧人的名字，萌生了学法的念头。如果中国僧人不来，我肯定会将那烂陀踏平”。与此同时威名显赫供养那烂陀的戒日王也征召玄奘，印度两个最有实力的国王互不相让，为了争夺玄奘几乎兵戎相见，最终东印度国王迫于压力屈服了。
戒日王是古印度史上可以和阿育王媲美的圣主，他召见玄奘后，决定召开一个全印度的宗教辩论会。让玄奘作论主，全印度的智者和大德参加，观看中国僧人讲经，并针对他的观点辩论。641年辩论会开始，参会的国王20个、僧人3000余人、印度教和其他教派大德2000余人、那烂陀也派了1000多僧人。全印度的高僧大德都到了，都城方圆几十里人满为患。根据印度的辩论规则需要设立奖惩制度，玄奘作为论主主动提出，如果有人能够破解他的观点，他将斩首相谢。玄奘没有给自己留丝毫退路，在讲坛上侃侃而谈的他等待对手发难。大会持续了18天，奇迹般的没有一人挑战。赢得辩论的玄奘获得大乘天和解脱天的称号，被大乘和小乘共同推举为大师。传说当时印度很多寺庙都画着玄奘的麻鞋，并以彩云烘托。641年戒日王向大唐派出使节，大唐使节也来到印度，这是中印第一次互派使节。
归国的时候终于到了，641年初夏玄奘离开印度，带着经书和佛像重新踏上丝绸之路。玄奘有戒日王的支持，本可以从海路回国。但为了兑现自己17年前对高昌王的承诺，玄奘重新翻越帕米尔高原。到达喀什时，玄奘听闻高昌王早已去世，而高昌国也成为大唐的西州。兄弟之约已成往事，玄奘决定取南道直接返回大唐。玄奘到达于阗停顿了下来，写信给唐太宗，他承认自己为了求法，违抗命令私自出国，又将取经的功劳归于太宗。玄奘在于阗等待唐太宗的旨意，17年的经历告诉他没有朝廷的支持将寸步难行。半年后大唐的特使带着唐太宗的圣旨来到于阗，欢迎玄奘回国并安排好了行程。645年玄奘回到长安，闻讯而来的百姓堵塞了道路。玄奘带回了657部佛经、157粒佛舍利、7尊佛像。历经19年时间，跋涉5万里途径110个国家，返回故土，玄奘带给大唐的是难以估量的精神财富。
645年1月唐太宗在洛阳的宫殿召见了玄奘，根据史料记载，玄奘和唐太宗之间的谈话持续了很长时间。三藏法师传记载，玄奘身形高大、眉目疏朗、举止儒雅；唐太宗对初次见面的玄奘非常欣赏，但似乎对佛法却没有多少兴趣，他更关心西域和葱岭以西的风土人情。太宗希望玄奘写一本书把19年西行见闻记录下来，太宗答应了以国家的名义支持玄奘的译经事业。645年3月玄奘返回长安，开始了庞大的佛经翻译计划。19年的辛苦和努力都是为了这一天，玄奘渴望将带回的经典翻译成汉文，解决佛法混乱的局面。仅仅一部《瑜伽师地论》就有100万汉字，玄奘带回了657部佛经，翻译任务之艰巨难以想象。玄奘白天翻译佛经，晚上还要给皇帝写书，玄奘口述19年的西行历程，弟子辩机记录。646年7月玄奘完成了太宗交付的任务，12卷本的《大唐西域记》被公认一部稀世奇书。
648年太宗在玉华宫召见玄奘，玄奘将刚刚翻译完成的《瑜伽师地论》奉上，请求太宗为经书作序。这次太宗没有拒绝，亲自撰写了《大唐三藏圣教序》共781个字，高度评价玄奘西行取经壮举，也充分肯定了玄奘的佛经翻译事业，第一次表达了对佛教的支持态度。648年唐太宗任命玄奘担任新落成的大慈恩寺主持。649年唐太宗病入膏肓，在生命的最后一个月，陪伴在他身边的是玄奘。太宗去世后玄奘加速了经书翻译速度。652年玄奘上书高宗请求建造一座石质佛塔，用来保存他从印度取回的佛经和佛像。玄奘在那烂陀见过一座亘娑塔，亘娑就是大雁的意思。传说佛陀曾化作大雁从空中撞地而死，以此来教导僧人不要杀生，亘娑塔给玄奘留下印象深刻。玄奘亲自设计了大雁塔，塔身以泥砖修筑而成，佛塔高180尺，层层藏有舍利。塔前竖立了大唐两个皇帝撰写的石碑，玄奘希望能借助大唐皇帝们，来护佑佛经典籍和圣物。845年唐武帝灭佛时，长安仅仅剩下两座佛寺，其中之一就是大慈恩寺。
659年秋天，玄奘随高宗来到洛阳，在皇家离宫改成的玉华寺中，度过了他最后的人间时光。玉华寺里挖掘出的佛像金刚底座上刻有玄奘留下的唯一的笔迹。玉华寺的肃成院是玄奘居住的地方，院子对面的山谷中，至今还有两棵菩提树。院子里还挖掘出佛足印石雕，这应该是玄奘早年在印度拓印带回的佛足印记。660年玄奘决定翻译规模最大的《大般若经》，梵语20万颂、汉文数百万字。弟子们建议删繁就简，玄奘坚持秉承原文，一字不能少翻。四年时间《大般若经》终于翻译完成。664年正月，玄奘应弟子们请求翻译新的佛经，勉强翻译几行后，玄奘放下经卷，说“我的体力和精力已经用完，再也无法翻译”。他平静的告诉弟子们自己归期将至，玄奘就此停止了19年之久的佛经翻译事业。玄奘一共翻译佛经47部1335卷，数量巨大、质量严谨、无人超越。664年正月十五有弟子梦见巨大的佛塔倒塌，浮图崩塌，玄奘认为是自己灭谢的征兆，“我眼前有莲花，大于盘，鲜净可爱”。664年二月初五玄奘圆寂，长安送葬的百姓一百多万人，高宗闻讯罢朝数日，感叹“苦海方阔、舟楫遽沉、暗室犹昏、灯炬斯掩”。玄奘10入佛门，27岁西行取经，45岁携经归来，翻译佛经19年，开创法相宗，功德圆满。