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751年初夏，高仙芝征召安西各镇军队主力，向西进发。据郭沫若先生的考证，出生在碎叶城（位于今吉尔吉斯斯坦楚河州托克马克市西南）的大诗人李白，当时曾以“汉家兵马乘北风，鼓行而西破犬戎”的豪迈诗句，为从征的族弟李绾壮行。作为安西都护府下的一名幕僚，著名边塞诗人岑参在大军临行前也赋诗“都护新出师，五月发军装。甲兵二百万，错落黄金光” （《武威送刘单判官赴安西行营，便呈 高开府》） ，极言唐朝军容之胜。
“甲兵二百万”自然是艺术上的夸张，安西大都护府总兵力不过2.4万。除去留守部队，高仙芝率领的唐兵恐怕不过2万。
如前面所说，天宝年间，唐朝已经由府兵制转为募兵制。之前在府兵制时，军府分为内府和外府。前者即中郎将府，成员为勋贵子弟；后者即折冲府，成员为普通士兵，21岁入军，60岁出军。唐初最多时，折冲府共有657个，一般以其所在地为名，并分为上、中、下三等，分别有1200人、1000人和800人。府下200人为团，设校尉；100人为旅，设旅帅；50人为队，设队正；10人为火，设火长。他们平时进行农业生产，农闲时进行军事训练。
值得一提的是，府兵是兵役制度而不是军队编制。根据相关出土文书显示，遇到军事行动，唐朝是根据具体情况，从各军府中抽调不同比例的士兵，而不是整体调动。其中善于骑射的会被选入骑兵，其他人为步兵。
总体上，被征发的府兵每火备6匹驮马，驮载大家公用的炊具、工具和寝具。每士卒则要携带1张弓、30支箭、1个胡禄（箭筒）、1把横刀与砺石、衣物等随身物品，以及麦饭9斗、米2升。至于其他的甲胄武器，则由国家统一生产制造、统一储备，临战分发。
至于天宝年间，军队的主力已经是“兵募”了。兵募由各州县乡里征发募集而来，并带有一定强制性质。不过兵募的装备主要由国家出资负担，不足部分由个人承担。兵募服役期限在安西这样的西北地区是4年，其他地区为3年或2年。
此外，当时的唐军还拥有如义征、健儿这样的“志愿兵”，以及内迁的城傍蕃兵等兵力来源。基本上，这些兵募、健儿、城傍蕃兵会被编入当时如安西四镇的唐朝边防军——镇军。
唐朝前期的军事制度其实分为两个层次，即平时的兵役体制与战时的行军体制。如前面所说，兵役层次下的府兵或兵募，会被按比例抽调组成行军，也就是机动野战军团，执行作战任务。行军指挥官如果是皇室成员，则为行军元帅；如果是朝臣，则为行军总管或行军大总管（节制诸总管，相当于前线战区司令）。军事行动结束后，除留下少部分士兵用于镇守外，行军会解散。唐初李靖平突厥、侯君集覆高昌等军事行动，都是采用行军制度。自唐高宗仪凤年间以后，为了应对越来越频繁的边境作战，唐朝在行军留镇的基础上，结合之前的镇、戎边防体系，形成了平时担任边防卫戍，战时组成野战兵团的镇军。到了唐玄宗时期，节度使领兵的镇军制度已经确立，镇军既是常备军又是野战军。
镇军大致分为军，城、镇，以及前文提及的守捉三级编制。一般来说，军为最高一级，多者数万，少者数千，一般平均在万人左右。城、镇作为第二级编制，一般为数千人，比如三受降城，兵力约有6000—7000人；安西四镇，每镇兵力在6000人左右。至于守捉，一般为几百人，但也有几千人的大编制守捉。
值得一提的是，安西四镇的唐军有其特殊之处。西域地区是优质马匹的重要产地，能够通过与游牧民族进行绢马贸易，获取大批优质马匹。玄宗天宝六年（747年），当时还是安西副都护的高仙芝率军讨伐小勃律时，就已经“步兵皆有私马相随”。当时安西唐军虽然有步兵、骑兵之分，实际上行军时，马匹的数量大大超过骑兵人数。如果按步兵皆有私马来看，这支军队是清一色行动迅疾的骑马机动军团。不过步兵的私马可能只用于骑行，不用于作战。普通骑兵皆备两匹马，而步兵仅备一匹私马。这也使得安西都护府的唐军成为全国行军速度最快的部队。另外，由于唐朝内部承平日久，中央禁军和内地唐军已经战斗力大减，甚至不堪作战，而如安西唐军这样的边防军则成为当时唐朝的精锐力量。甚至有种说法，安史之乱其实就是唐朝东北边防军（叛军方）与西北边防军的较量。
唐代骑兵俑
这支精锐的唐军部队从安西都护所在的库车出发，长途跋涉2000余里，在碎叶会合了附属国的军队。按照杜佑《通典》的记载，此时唐军总计约7万。但是，《通典》在记载唐军军事行动时，对兵力和损失经常有夸大数据之举。比如天宝八年，哥舒翰与吐蕃的青海之役，“谪卒二千”的损失被记载成了2万；天宝十一年，安禄山率五六万人败于契丹，结果被记载成了“十万众尽没”。另外，此时不仅阿姆河水域诸国早附大食，河中粟特诸国也几乎全都改臣于大食。其中包括康、安、米、史、曹、何、火寻、石汗那，而唐军方面能征调的属国、属部兵只有拔汗那和葛逻禄两国（部）兵，其中葛逻禄（异姓突厥部落）还属于新附部落，与唐渊源不深。这些属国能提供多少兵力也有待推敲。
总之，结合《段秀实别传》的6万、《旧唐书·李嗣业传》的2万、《通鉴》的3万、《唐历》的3万来看，唐军此次或为了扫清突骑施的残余势力，或为了对抗咄咄逼人的阿拉伯帝国，动员了安西都护府、北庭都护府、天威军的本土唐军，以及附属的城傍蕃兵，还有属国军队一共6万余人的兵力。而这6万余人到底有多少聚集在碎叶，又有多少投入到怛罗斯战场，就很值得推敲了。
首先唐军在其他方向上也有军事行动，比如“天威健儿”就留在了碎叶防备突骑施人。其次，后勤也成为制约兵力投放数量的关键因素。从开元三年和开元二十二年，唐将郭虔瓘与牛仙客各自的军事筹划和作战行动来看，安西都护府在执行长途西征任务时，后勤所能承受的最高兵力为1万人。因此，就算高仙芝做了充分的准备，他也不会更不可能将动员的力量全都投入到怛罗斯战场。
总体上，综合考虑，唐军投入怛罗斯战场的总兵力不会超过3万人，而其中真正的唐军最多也就是在2万人上下。
751年七月末，唐军抵达了石国大镇怛罗斯。此地西距石国都城225公里，东行250公里则至碎叶。玄奘曾经到过这里，《大唐西域记·卷一》记载：“南行十余里有小孤城，三百余户，本中国人也。昔为突厥所掠，后遂鸠集同国，共保此城。于中宅居衣服去就遂同突厥，言辞仪范犹存本国。”石国可能是在突骑施衰落后，将疆域扩张到此处的。这里也成为继汉代李广利远征大宛（今费尔干纳盆地）及陈汤击灭郅支单于于康居（今哈萨克斯坦东部）之后，古代中原王朝军队所达最远的地区。不过，这其实并不是唐朝军队第一次到达这里。开元二十七年（739年）八月，高仙芝的前上司——唐将夫蒙灵察曾率军一举攻克突骑施人据守的怛罗斯城，威震西域！
当时，高仙芝或许渴望重复前辈的辉煌，或许更想用一个胜利向那位曾经用被载入史书的脏话臭骂过自己的前上司证明自己。因此，他很快就展开了攻势。然而，怛罗斯城里的石国守军和阿拉伯军队在赛义德·本·侯梅德的指挥下，一直坚持到齐雅德·萨里统领的阿拉伯与河中各国联军到来。
援军的到来，使战场局势立即逆转，唐军退至塔拉克——一个距离怛罗斯城数英里远的集镇列阵，迎战阿拉伯人的主力部队。此处是一个山下河床中的小平原高地，正是东西两军会战的好战场。