这是耶律大石西进中最大的一场战役，也是震惊世界的一场战役。在西进的路途中，耶律大石从不轻易开启大的战役。但这一次，为了一个强大的帝国稳立在西部，他要集结所有力量打一场硬仗。
康国八年（1141年），激战在萨末鞬以北的卡特万展开。桑贾尔有十万多骑兵，兵力远超西辽，但耶律大石毫不畏惧。两军相望两里许。面对敌方骑兵，耶律大石鼓励将士："彼军虽多而无谋，攻之，则首尾不顾，我师必胜。"耶律大石指挥若定，分左中右三路军马强攻敌军，迫使桑贾尔军队首尾不顾，全军溃败，桑贾尔本人也向西逃跑。塞尔柱王朝的势力从此退出河中地区。这就是中亚史上著名的卡特万会战。
卡特万会战是当时决定中亚整个政治格局的一场决定性的战役。西辽确立了在新疆、中亚地区，也就是葱岭东西地区的统治地位，成为中亚霸主。
卡特万会战后，耶律大石的军事力量已空前强大，开始进攻位于阿姆河下游和咸海东南的花剌子模。花剌子模阿里耶愿意效忠耶律大石，每年进贡牲畜和物品。西辽军队从花剌子模撤军。
在失去东部疆土以后，耶律大石奇迹般地又在西部建立起一个可以与原来的辽朝相媲美的新王朝。其疆域东起土拉河，西至咸海，北至巴尔喀什湖，南尽阿姆河、兴都库什山、昆仑山，领土面积远超南宋、西夏。
