唐帝国不愧是当时世界上最强大的帝国，唐朝联军由步兵和骑兵组成，在高仙芝的指挥之下骁勇善战，在步兵强弓劲弩的掩护下，骑兵发起猛烈的进攻，一度完全压制了阿拉伯骑兵，唐军在战场上占据上风并掌握着主动权。但是由于高仙芝只有3万人，而阿拉伯联军有20万人之多，因此双方血战5天，始终无法分出胜负。第5日傍晚，葛逻禄部番兵突然背叛唐军。
背叛的原因，一说是葛逻禄部眼见战争持续5日难分胜负，阿拉伯联军在数量上占有绝对优势，唐军虽然勇猛，但再打下去恐怕会全部战死疆场，葛逻禄部不愿为唐军做陪葬。一说是葛逻禄部原本就对高仙芝不守和约、攻击石国的作为不满，此次远征阿拉伯帝国也是被逼无奈，看到唐军难以取胜，在阿拉伯人的引诱下，顺势背叛唐军。
怛罗斯之战
背叛的葛逻禄部悄悄从背后包围唐军步兵，并且断绝了他们与骑兵的联系，阿拉伯军队趁势出动精锐骑兵向唐军步兵发动猛攻。
高仙芝受到占有绝对优势兵力的阿拉伯军队与葛逻禄部的两面夹击，无力支撑，终于溃不成军。
高仙芝趁着夜幕单骑逃脱，副将李嗣业收拢残部，向龟（qiū ）兹（cí）（龟兹，今新疆库车县一带）方向败退，途中恰逢大唐联军的拔汗那兵也溃逃至此，兵马车辆拥挤堵塞道路。李嗣业害怕阿拉伯军追兵赶到，挥舞大棒杀死百余名拔汗那军士才得以率先通过。两万人的唐军精锐，最后只剩数千名残军。
唐朝疆域
在收拢残兵之后，高仙芝并不甘心，依然想进行一次反击，但李嗣业等极力劝阻，最后高仙芝只得引残兵逃向龟兹。
怛罗斯之战对唐王朝和世界格局的影响
怛罗斯之战，唐军逃回的仅有数千人，战死的有数千人，被俘的约有1万人。虽然唐军战败，唐军的勇猛善战还是让阿拉伯军队心有余悸，慑于唐军在怛罗斯战役中展现的惊人战斗力，阿拔斯王朝也打消了东进扩展领土的企图。但怛罗斯之战后，整个世界的格局还是发生了巨大的变化。
唐朝势力退出中亚，阿拉伯军队完全控制了这一地区。在唐朝内部，怛罗斯战役4年之后，“安史之乱”暴发，大唐帝国从此彻底告别了鼎盛的黄金时代，走向了崩溃的不归路。
