孤军深入的唐朝军队奋战五天之后，葛逻禄部仆从军突然反叛，从背后包围唐步兵，隔断了他们与骑兵的联系，于是唐军大乱，受到阿拉伯与葛逻禄部两面夹击后，无力支撑，最终溃不成军，只剩数千人撤回西域。此战阿拉伯人也损失惨重，伤亡七万多人，所以即便获得了胜利，也无力追击唐军。
这场战争，看似比较宏大，但对当时的唐帝国和阿拉伯帝国来说，其实都是一场边境小冲突，史学界有个说法是："无足轻重的怛逻斯"，有网友戏称怛罗斯之战在历史论坛上的意义比在历史上的意义大。中国历代史书记载的稍微多一些，不过也都是寥寥数语，阿拉伯人的《历史大全》伊历133年那一章中更是只有一小段记录。
