怛罗斯城战斗开始，阿拉伯军队首先进攻，由五千名各属国轻骑兵组成的冲锋集团在距离唐军阵地两三里的地方发起冲锋。统帅阿布?穆斯林并没有一开始就动用自己的精锐力量。而是利用这些炮灰试探唐军的实力。这一次试探性的进攻并不能看出什么。唐军的阵地没有被撼动，只是进行了轻微的还击。而这五千轻骑损失了寥寥数百。这一次的试探让阿布?穆斯林轻率的认为，唐军的战斗力并非想象中的强悍。于是，他决定打出自己第一张真正的牌：一万阿拉伯呼罗珊骑兵。
阿拉伯骑兵的装备是长矛盾牌和弯刀，并且装备弓箭。阿拉伯马是当时世界上最优秀的马种，刻苦耐劳，富有持久力。呼罗珊又是波斯故地和阿拔斯王朝起家之处，当地战士性情剽悍，骑术精熟，再加上不亚于阿拉伯本土战士的宗教狂热，其素质在全国也堪称精锐。一万阿拉伯骑兵的如同狼群掠食一般向唐军阵地冲来。而高仙芝在多次与阿拉伯的小规模冲突中，了解了对方惯用的战术。所以，他命令五千陌刀步兵列于阵前。五千把一丈长的陌刀斜举，遥指对方冲来的方向。接下来的一幕，对于双方来说，感受完全不同。当这万名阿拉伯骑兵呼啸而来时，首先迎接他们的是发自唐军后阵弓弩手的箭雨。箭矢对这些装甲单薄的骑兵们造成了很大的伤害。三分之二的路程，阿拉伯轻骑已经损失了将尽两千人。但天生的悍勇狂热以及侥幸心理促使剩下的人更加拼命向前，他们认为，只要能接触到唐军本阵，手中的大马士革弯刀将尽情收割唐军的生命。但当他们付出了接近三分之一的伤亡冲到唐军阵前时，才发现，更可怕的噩梦在等待着他们。
五千把一丈长的陌刀构成了一堵锋利的钢铁长墙。第一批撞上的骑兵“人马皆碎”。而余下的人沮丧的发现自己手中的长矛长度不够，无法伤害到唐军的陌刀步兵。投掷而出的长矛也被唐军的盾牌挡住。无法造成伤害。更遑论想用弯刀来搏命的想法了。受阻的攻击使得冲在前面的阿拉伯骑兵开始恐惧，有些人试图掉转马头。但是源源不断的后来者没有给他们这样的机会。一片混乱中，人马践踏，死于唐军长刀箭矢和自相踩踏的士兵各半。就这样，半个上午过后。高仙芝得意得看着两千多阿拉伯残骑退走，第一次交锋，阿拉伯就损失了近八千精锐骑兵。而唐军仅伤亡数百人。在组织了数次骑兵冲锋，损失过万人之后，阿拉伯统帅阿布?穆斯林亲身领教到了闻名天下的唐军的厉害，震惊和懊悔之下，决定改变战术。骑兵由侧翼向唐军用弓箭和投掷长矛发起骚扰，减少正面冲锋的损失。而大量步兵则从正面推进。利用人数优势挤压唐军。打乱对方的阵型。可以说，大唐名将高仙芝这次遇到了一个势均力敌的对手。在正确调整了战术之后，唐军的陌刀威力被打了一个折扣。而一次次的轮番进攻，使得唐军士兵疲惫不堪。伤亡超过三分之一。但即便如此。唐军仍然顶住了阿拉伯联军的七次进攻。阵型岿然不动。惨烈的战斗持续了五天。双方的步兵骑兵来回厮杀。阿拉伯联军在付出了五万人以上伤亡后，总算稍微占得了一些优势。第五天傍晚，就在双方相持不下之时，一个足以影响全局的变故发生了。
事后有人认为，唐朝属国葛逻禄盟军的叛变是出于对形势的悲观。但更多人相信，是阿拉伯人收买了他们。但不管怎样，唐军绝望的发现。自己的后路被叛军切断了。弓弩手和骑兵被和步兵分割开来。失去了支援的步兵阵脚大乱。而阿拉伯人趁机出动重骑兵冲击唐营中心。连日征战的唐军在内外夹攻之下终于崩溃。高仙芝在夜色的掩护下单骑逃走。而副将段秀实和李嗣业收拢残兵向安西溃退。途中恰逢己方联军中的拔汗那兵也溃逃至此，造成兵马车辆拥挤堵塞道路。李嗣业恐阿拉伯追兵将及，不惜对盟军大打出手，挥舞大棒毙杀百余名同属大唐联军的拔汗那军士，才杀开一条血路，残余唐军得以通过。李嗣业作为唐军副将，或许是出于对阿拉伯人追击的恐惧，或者是对葛逻禄叛变的怒火转嫁到了同为属国盟军的拔汉那身上。总之，他做出了这种残忍而在当时又属明智的行为。事后看来，正是这样残忍功利的行动，使得唐朝在西域属国心中的地位下降。高仙芝在逃生后，并不甘心，曾试图收拢残兵进行反击。但在李嗣业的劝说下放弃。此役过后，两万安西都护精锐只有千余生还。阵亡和被俘各半。但也重创阿拉伯联军。杀敌七万余人。阿拉伯人鉴于唐军可怕的战斗力，并没有乘胜追击。而只是趁机巩固了在中亚的霸权。
数年之后，唐朝爆发安史之乱，使得唐朝没有力量再与阿拉伯在中亚进行争夺。而吐蕃的崛起也阻挡了阿拉伯的西进步伐。怛罗斯之战后，安西都护府的精锐兵力损失殆尽。但几年后，高仙芝仍然率兵大破吐蕃。说明盛唐时期唐朝的国力之强盛。如果不是内乱，完全可以继续与阿拉伯在中亚一较长短。阿拉伯的文化和宗教自此以后，在中亚渐渐生根。排除了中华文明影响。中国的造纸术亦因为唐军战俘中的造纸工匠被带到由阿拔斯王朝第一任哈里发阿布?阿拔斯-萨法赫在撒马尔罕新建的的造纸坊里工作而传到中亚和中东。怛罗斯战役对东西方历史进程影响是非常深远的。就战术来说，对于唐朝这是一场光荣的失败。劳师远征，面对六倍于己的敌人。仍然只是由于内部的叛变而失败。毙敌七万余。威震一时。对于阿拉伯来说，取得了中亚的霸权。扩大了版图。造纸术也在西亚生根发芽。天宝十四年（755年），安禄山反叛，盛唐的辉煌与在西域的光荣同归于寂……
