据史料记载，第五日傍晚，葛逻禄番兵突然反叛，从背后包围了唐步兵，并且断绝了他们与骑兵的联系，阿拉伯军队趁着唐军陷入混乱之际，出动了重骑兵主力突击唐朝步兵。高仙芝受到阿拉伯和葛逻禄两面夹击，无力支撑，最终溃不成军只能撤退。三万唐军仅剩下数千人返回，损失极其惨重。
怛罗斯之战后，唐朝在西域影响力并未受到动摇，西域唐军迅速恢复。仅过了两年，安西节度使封常清进攻吐蕃控制的大勃律，大破敌军，征服了当地的势力。封常清率领着唐军继续扩张，直到安史之乱才停止。如果不是安史之乱，那么西域唐军将有机会和阿拉伯人再次一较长短。754年唐朝在西域、中亚的势力达到了顶峰，只可惜安史之乱爆发，只能退出中亚。
纵观唐朝的扩张史，遭遇挫折并不少见，而战败后卷土重来也是唐军惯用的战略，只可惜安史之乱让大唐就此转折，随后崛起的吐蕃、复兴的突厥、西南的南诏，以及内地的藩镇叛乱一点一点蚕食大唐的根基和资源。
