公元1137年，西辽又开始了第二阶段的向外扩张。它首先进入费尔干纳谷地，在这里大概没有遇上什么抵抗；继续向西推进，到达忽毡。在这里遇上了西部喀喇汗王朝的马赫穆德汗的抵抗。两军交战，喀喇汗王朝的军队被击溃，马赫穆德汗逃回首都撒马尔罕。但西辽军队没有乘胜前进，而是停下来巩固新地盘，等待更好的战机。
马赫穆德汗被西辽军队打败逃回撒马尔罕后，便向苏丹桑贾尔派出使臣求援，说穆斯林遇上了灾难，鼓动桑贾尔保卫穆斯林。呼罗珊、西吉斯坦、伽兹纳(里海西南)，马赞兰德(里海南岸)和古尔(阿富汗中南部)的国王们都带兵加入。
公元1141年，喀喇汗王朝爆发了康里人和葛逻禄人之间的民族冲突。7月，桑贾尔的十万多骑兵渡过阿姆河，当他听到马赫穆德汗关于发生民族冲突的情况后，便向葛逻禄人进攻。葛逻禄人派人向耶律大石求援，耶律大石给桑贾尔写信，为葛逻禄说情。桑贾尔不但没有接受说情，反而要耶律大石接受伊斯兰教，否则就要武力解决。耶律大石下令进军，他率领军队在撒马尔罕以北的卡特万与桑贾尔的军队相遇。耶律大石在达尔加姆峡谷扎营，并派六院司大王萧斡里剌、招讨副使耶律松山等领兵二千五百进攻桑贾尔军队的右翼，枢密副使萧查剌阿不，招讨使耶律术薛等领兵二千五百进攻其左翼，自率其余部队进攻其中军。桑贾尔军队的右翼是将军库马吉，左翼是西吉斯坦国王，中军由桑贾尔自率。
同年9月9日，战争打响。桑贾尔的军队虽然先声夺人，取得了一些胜利，但西辽军队越战越勇，桑贾尔的妻子、两翼指挥官以及著名伊斯兰法学家胡萨德·奥玛尔都被俘，桑贾尔侥幸逃脱。桑贾尔的军队伤亡惨重，死亡总数达三万人。耶律大石以少胜多，获得大胜并占领了西部喀喇汗都城撒马尔罕。塞尔柱王朝的苏丹桑贾尔带着喀喇汗王朝马赫穆德汗，仓皇逃奔到忒耳迷(今乌兹别克斯坦的捷尔梅兹)，渡过阿姆河，进入呼罗珊，从此塞尔柱王朝退出河中地区。
耶律大石领兵进入撒马尔罕，让西部喀喇汗王朝继续统治河中地区，并封马赫穆德汗的弟弟伊卜拉欣为桃花石汗，留下一名沙黑纳，监督其统治。
