阿拉伯人早就准备攻打安西四镇，得到高仙芝进攻的消息，立即组织十几万大军救援怛逻斯城，双方在怛逻斯河两岸决战。唐军骁勇善战，靠着步兵的弓弩，唐朝骑兵一度压制阿拉伯骑兵。但阿拉伯军队太多，唐军无法取得胜利。双方激战第五天，葛逻禄番兵反叛，切断了唐军步兵和骑兵之间的联系。唐军支撑不住溃不成军，高仙芝收拾残部回到唐朝。
怛罗斯之战，阿拉伯帝国虽然获得胜利，但却是惨胜，慑于唐军强大的兵威，阿拉伯帝国再没有东进侵犯唐朝。更重要的原因是突厥人成为阿拉伯人的雇佣兵，阿拉伯帝国走向衰落。而唐朝也没有复仇，因为安史之乱马上就要来临了，无论中亚争夺战胜败，唐朝都要退出。
