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高仙芝抵达抵达怛罗斯时，大食也迅速组建了一支联军抵来迎战，当时怛罗斯已经被大食控制，所以从地理位置和补给优势上而言，大食要比高仙芝好得多。
但高仙芝并不在乎这个东西，在他看来，打仗靠的是主帅和手下敢于死战的作风，这一点，高仙芝确实有骄傲的资本，他手下骑兵，步兵，甚至副将，以及用于战场的武器（陌刀，一种长柄两刃刀）都是最好的，人数控制在三到四万反而更能发挥大军的机动性和灵活性。
拥有这个底气的高仙芝在怛逻斯河两岸、今天的奥李-阿塔附近与大食的精锐展开了决战。高仙芝率先发动了攻击，大食也不慢，迅速做出了回应。
双方激战四日不分胜负，这个时候高仙芝的闪电战就露出了弱点，长途奔袭，不能速战速决，取而代之的人困马乏，在没有任何补给影响下，军心很容易动摇。
最先动摇的就是葛罗禄部的人马，一看战无不胜攻无不取的大唐军精锐，竟没有迅速取得胜利，而且人马均开始显露疲态，这个没有任何合约精神小国，倒向了大食。
第二天一早，双方大军继续厮杀，战事进入了势均力敌之时，葛逻禄人突然临战倒戈，这下翻转来得太过突然，一时之间，数千大军从唐军的背后杀了出来，前面是数万大食精锐步步紧逼，高仙芝被两面夹击了。
这种突发变故对战士的心理是有很大的影响的，厮杀的战场上，信息没有那么好传递，突然看着和自己穿同样的衣服的将士挥刀砍杀自己，心理惊讶之余，往往会判断失误，从而给了敌人可乘之机。
大食方面也不弱，齐雅德·伊本·萨里率领当时世上最强的骑兵，对高仙芝发动了最猛烈的攻击，一时之间士卒阵亡殆尽，仅剩残余士卒数千人。
这里不得不提一下悍将李嗣业。
李嗣业这个人，身高七尺，力大超群，世称“神通大将”，唐肃宗（李亨）对他的评价是：自凶渠构乱，中夏不宁，持感激之诚，总骁果之众，亲当矢石，频立勋庸。壮节可嘉，将谋于百胜；忠诚未遂，空恨于九原。”这个评价颇高，但李嗣业确实担得起，早期的李嗣业对于战场就是敢打敢杀，特别擅长使用陌刀，刀锋所向，敌人无不望风而逃。安西四镇节度使夫蒙灵察就是知道李嗣业这个特色，一直将他留在身边，碰上了战事第一时间想到的就是李嗣业。
后来跟着高仙芝也一直保持着这股作风，因此很受高仙芝的赏识。
但如果就此淡定他只是一名勇猛无比的猛张飞，那就是大错特错了，“将谋于百胜”的评价可不是空穴来风，在大局这一块，李嗣业是拿捏得死死的。
高仙芝并没有因为战事的失败心生沮丧，反而是越战越勇，按照高仙芝的看法，唐军大败，不是自己能力不行，也不是敌人太强大，而是葛罗禄部的突然反叛，打乱了计划，如果再收拾人马，整合西域诸国人马，再来一战，鹿死谁手犹未可知？
这个看法，却被李嗣业给否决了。
这就是李嗣业的厉害之处，懂得从大局出发，当时的情况非常紧急，根据史料记载，李嗣业给高仙芝谋划利害关系：“您率兵深入敌境，后无援兵，大食军乘胜进攻，他们其他各族军队也将勇猛敢斗，我和您都前去战死，谁来报效国家呢？不如退守白石岭考虑退兵。”
高仙芝并不同意，想了想说：“我正召集被打散的军队，明天再和他们交战。胜败还难说？”
李嗣业摇了摇头给出了一个否定的答案：“大势已去，不能坐等杀头，还是退吧？”
高仙芝认真思考了一番后，赞同了李嗣业的看法，于是率领残余部队去扼守白石岭，打算从这里退兵，只不过中间过程还是出了一点问题，当时道路狭窄，大队人马难以全部涌入，只能先步兵，步兵后面跟着骑兵，一个接着一个走出，不巧的是，遇到了拔汗那（汉代称大宛。古籍又作破洛那或钹汗）退兵，辎重车堵住道路不能过，关键时刻李嗣业站了出来，手握陌刀对着敌人左右厮杀，硬生生从强悍的拔汗那军中杀出了一条血路，让高仙芝成功突围。
突围成功的高仙芝并没有选择整合残部继续厮杀，而是选择了率领五六千人回到了龟兹，大食方面大概也是看到了大唐的实力，取得胜利后，没有继续追赶，双方相约在怛罗斯打了一战，战事结束后，各自回到各自的地盘，与彼此的疆土一点影响都没有，唐军损失了数千人。主要减员数量是投敌的葛逻禄军与损失的拔汗那军，主力影响不大。
在怛罗斯城战事后两年，也就是我们熟悉的天宝十二年（公元753年），封常清攻占大勃律菩萨劳城，足以证明唐军主力并没有受到太大影响，仅仅两年，天宝十四年（公元755年）整个西域差不多都在大唐可控的范围之内，从长安安远门西行至唐境西陲是1.2万里的陇右这个地方，作为东西交流的咽喉要地，也因为西域的原因，成为了大唐最富庶的地方之一了。
大唐仍旧是最鼎盛时期，怛罗斯之战后不久战后不久，石国仍然倒向唐朝，一直东扩的大食没有继续东扩。和大唐还保持了友好的关系。
不光大唐和大食对这场看起来颇为重要的战事没在意，即便是当时所有的史学家对这场战事也不太关注。因此，在双方的史料中，记载都是十分简洁明了，甚至很多都是一笔带过。
当然，这样两大王朝碰撞所产生的火花还是不少，这一战中，大食俘虏了不少中国工匠，众多俘虏之中，有个叫杜环的官员，襄阳郡人（今天湖北省襄阳人），他是作为随军书记官参与怛罗斯战役的，被俘虏到了大食，在中亚、西亚乃至地中海沿岸等大食境内游历、居住十多年，宝应元年（公元762年），乘商船回到大唐，写了一本《经行记》，书中介绍，中国工匠带去的指南针、火药以及其他科技，随这一战传入了大食（阿拉伯），随后又传到欧洲，世界文明因这偶然的一战，开始发生改变。