那烂陀寺是印度学术文化中心，聚集着大批最优秀的学者。不但保存有大量大、小乘佛教经典，而且存有许多天文、地理、医药书。那烂陀寺有僧众一万多人，每天有一百多场讲座，僧众研究的内容有佛教的大、小乘经典、因明学、声明学等，甚至婆罗门教的《吠陀经》，以及医方、术数都有专人研究。
玄奘到达那烂陀寺时，一千多人手执幢盖、华香夹道欢迎。戒贤大师是该寺的主持，也是当时印度佛学界的泰斗，声望极高，他当时已有一百多岁了。玄奘到达后，戒贤热情地接待他，在生活上给予玄奘以上宾的待遇，还打破多年来不讲学的贯例，为玄奘讲了十五个月的《瑜珈论》。玄奘勤奋好学，谦恭有礼，深得戒贤真传。在戒贤大师的启发指点下，玄奘学业大有长进，成为第一流的佛教的学者，玄奘以精通五十部经论的成绩取得了“三藏法师”的地位。当时那烂陀寺包括玄奘在内总共只有“三藏法师”十人。
玄奘在那烂陀寺跟随戒贤大师刻苦学习了五年，熟读经典，几乎通晓其中的全部奥秘。但玄奘并不以此为满足。公元636年，玄奘辞别戒贤大师，到印度各地游学讲经。六年以后，玄奘又回到了那烂陀寺，并为寺中全体僧众讲经，深受戒贤大师的赞誉。经过几次与高僧辩论，玄奘的学问得到公认。但有个叫顺世外道的不服气，他在那烂陀寺门口高悬四十条教义，并声称“若有破难一条者，我则斩首相谢”。几天过去了，没有人敢出来与他辩论。玄奘于是叫人将顺世外道的四十条教义扯下来，与他进行辩论。玄奘从容不迫，侃侃而谈，最后顺世外道理屈词穷，缄口认输，请玄奘按约杀他。玄奘说，信佛之人不杀生，你就做我的仆人吧，在场的人都为他的学问所惊叹，也钦佩他的度量。
公元640年，小乘佛教正量部大师般若岫嘈戳艘黄论文拿到当时北印度的一个国王戒日王那里，公然向那烂陀寺的大乘教派学说挑战。戒日王便命令那烂陀寺选派四名代表应战。那烂陀寺主持戒贤大师从众僧中选出四位学问最佳者，其中之一就是玄奘。论战刚开始，其他三位代表就胆怯，说话吞吞吐吐，只有玄奘信心百倍，口若悬河。终于玄奘以雄辩的口才驳得般若岫嗾趴诮嵘啵大乘教因此而取胜。
戒日王为玄奘的精妙议论深深折服，决定在曲女城举行辩论大会，恭请玄奘为论主，使印度佛教的不同教派的僧侣集会，聆听玄奘的精辟议论。公元641年春，辩论大会正式开始，到会的有印度十八国的国王，大小乘佛教徒三千余人，婆罗门及尼乾外道两千人，还有那烂陀寺僧众千余人，大会规模空前。那天会场门口照例高挂一牌，上书“如有一字不通，能被驳倒，愿斩首相谢”。玄奘以论主身份讲解了自己撰写的《会宗论》和《制恶见论》，阐发大乘教义。他还把自己的梵人讲稿贴在会场门口。但一连过了十八天，没有人敢对玄奘的论点提出异议，一致认为玄奘的见解完全正确。
按照古代印度的惯例，玄奘乘着装饰华丽的大象，前有华盖引路，后有贵臣陪护，绕场庆贺。簇拥的僧众牵着玄奘的袈裟高呼：“中国法师立大乘义，破诸异见，自十八日来无敢论者，并宜知之！”大乘教尊玄奘为“摩河耶提婆（大乘天）”，小乘教尊他为“木叉提婆（解脱天）”。从此玄奘声名卓著，誉满天竺。
贞观十六年（公元642年）五月，玄奘参加无遮大会后，就想告辞归国。戒日王苦苦挽留，玄奘又留连十多天，同时鸠摩罗王也殷勤劝留。但玄奘归国之意已决。戒日王没办法，只好答应让他回国。启程时两王送大量金钱宝物，玄奘一概不受。只收下戒日王所赠的大象和鸠摩罗王所施的一件曷刺厘帔，以便途中防雨。戒日王又遣官员四人带着文书，送到玄奘归途所经诸国，嘱咐他们一路发骑递送，直到中国边境为止。从此法师一行，路上有人照应，到处逢迎，不比来时的艰苦孤寂了。
当玄奘一行到达信度河时，河宽达五六里，他的同伴带着经卷以及印度特产奇花种子等坐船过河，法师玄奘一人独骑象过河。当船至中流时，忽然风波涌起，船身摇动，几濒覆没，看守经卷的人惶恐落水，待众人打救起来，检点经物，却已失去五十夹经本和印度特产的奇花种子。玄奘十分伤心，但也无可奈何，只好继续往前赶路。
经过两年的跋涉，玄奘总算平安到达中国国境。玄奘由于于阗王的盛情挽留，便在于阗停留下来。他一边派人往屈支疏勒访求所失经本。同时怕唐政府怪他私自出国，于是修表一封，派人随唐朝商人入朝，代为呈递，陈述他本人前往印度求法，历览周游十七载，今已从钵罗耶伽国经迦毕，越葱岭，渡波谜罗川归还，到达于阗待命。
唐太宗得知玄奘取经载誉归来，非常高兴。立刻派人到于阗迎接慰劳，并嘱咐把懂得梵语和经义的僧人一并带来；同时给于阗王写了一封信，托他照料一切，并令敦煌地方官去流沙迎接，鄯善地方官去沮沫迎接。
玄奘得到诏敕，即日进发。当到达沙州时，唐太宗又诏敕西京留守左仆射梁国公房玄龄派人迎待。玄奘归心似箭，日夜兼程到达漕上。当地官员还没有来得及准备迎接仪式，而远近僧俗一听到消息便自然奔凑，一时人山人海，争睹玄奘风采。
贞观十九年（公元645年）春正月，玄奘一行归至长安。房玄龄遣右武侯大将军侯莫、陈实，雍州司马李淑慎，长安县令李乾谭钣。文诏诸寺院准备帐舆、华镜龋张灯结彩，护送玄奘一行到弘福寺安置。二月，玄奘赶赴洛阳，谒见唐太宗于洛阳宫。唐太宗在仪鸾殿接见了他，对他慰劳备至。唐太宗又广泛问及途中所见。玄奘既然亲游其地，耳闻目睹，对从雪岭以西至印度境内的山川景象，物产风俗，八王故迹，四佛遗踪，以及当时张骞所未曾到过、班固《汉书》所未闻的许多事情记忆无遗，对答如流。唐太宗听后大为喜悦，又对玄奘说：“佛国辽远，所有法教灵迹，前史不能详述原委，你既亲见亲闻，何不撰写一书，以传于后？”玄奘当即答应下来，这就是后来由大总持寺沙门辩机在玄奘指授下将他游历记录加以整理编定的《大唐西域记》，至今犹为东西学者所珍视的研究古代西域及印度史的唯一重要著作。
唐太宗认为玄奘为中国、西域和印度各国人民所爱重，便劝他还俗来襄理政务。而玄奘只答应尽瘁译经事业，以报国恩，并要求唐太宗以物质上的帮助和支持。唐太宗当即应允，把他安置在长安弘福寺，有什么要求就与房玄龄商量。
贞观十九年（公元645年）三月，玄奘自洛阳还归长安，入居弘福寺，着手准备翻译，并征选各方大德襄助。乃条列所须证义、缀文、笔受、书手等人数，请示留守司空房玄龄。房玄龄都一一安排妥当。初夏，十二位“证义”大德同日赶到。五月，翻译正式开始。玄奘亲自手操贝叶经，开演梵文，带头创译《大菩萨藏经》十二卷，《六门陀罗尼经》一卷，《佛地经》一卷，《显扬圣教论》二十卷。第二年，又译成《大乘阿毗达摩杂集论》十六卷，事毕，又开始译《瑜珈师地论》一百卷，这和他晚年所译二百卷《大毗婆娑论》、六百卷《大般若经》一样，是玄奘翻译事业中最卓著的成果。
贞观二十二年（公元648年）五月，玄奘译完《瑜珈师地论》，六月应诏谒见太宗于玉华宫。玄奘向太宗陈讲瑜珈大义，太宗大喜，便遣使入京取《瑜珈师地论》，亲加详览，并令有司将其送秘书省书手，抄经论为九本，分赐雍、洛、并、兖、相、荆、扬、凉、益九州，使同闻新义。唐太宗又欣然为新经作序，即《大唐三藏圣教序》，太子即后来的高宗李治也为之撰《述圣记》，并作《菩萨藏经后序》。
这年冬十月，玄奘随唐太宗还京，住弘法院。十一月，皇太子为纪念其亡母文德圣皇后，营造大慈恩寺。同时度僧三百，延请五十大德入住，又另外造翻经院，令玄奘移就此处进行译经，并主持该寺寺务。在慈恩寺，玄奘专务翻译，每日自立课程，若白天有事，工作时间不够，就连夜赶写，过了夜半才停笔，接着礼佛行道，三更暂眠，五更又起来诵读梵本，用朱笔点定次第，并安排第二天的翻译节目。他还在每天斋罢到黄昏这段时间里，抽出时间讲新经论，各州的学者僧人常来请教解疑。玄奘还常与寺中诸大德讲说西方圣贤立义及诸部异端之事，终日事务繁忙，而且每天如此。
永徽三年（公元652年），玄奘又奏请造一佛塔，安置西域请得的经佛，免遭意外。因就西院，仿西域制度，造五级塔，高一百八十尺，层层中心皆有舍利。
显庆元年（公元656年），玄奘因西游出入冰山雪岭之中，得了风寒，屡被困苦。夏天因天热而不慎着凉，于是动了宿疾，几乎一卧不起。高宗闻知，关怀备至。不久，玄奘病愈，又继续从事他的译经事业，直到麟德元年（公元664年）圆寂之时。