其后，唐军攻灭大食属国石国之后，黑衣大食联合河中所有属国准备反攻安西四镇。高仙芝很快得到这一情报，遂于天宝10年四月（公元751年）率大军出征，准备先发制人。唐军翻越葱岭，穿过沙漠，经过三个月的长途跋涉，于当年七月抵达大食腹地怛逻斯城下，开始围攻该城。

唐军步兵均用陌刀，威力极大，列阵而出则“如墙而进”，肉搏时候威力不减，史载李嗣业用陌刀肉搏“当嗣业刀者，人马俱碎”。骑兵方面则是轻重骑兵结合，一般使用马槊，在近身肉搏时候则是用横刀，也就是现在所称的“唐样大刀”。横刀的锻造技术在当时世界上是极为先进的，锻造出来的刀锋锐无比，而且步骑两用。唐军的铠甲抛弃了魏晋的具装铠，演变为以明光铠为代表的唐十三铠，重量更加轻，但是防御力却大大的提升。唐朝军队在武器上最大的优势是拥有成熟的弩，唐军一般使用四种弩，伏远弩射程三百步（450米），擘张弩射程二百三十步（345米），角弓弩射程二百步（300米），单弓弩射程百六十步（240米）在不同范围均可以形成威胁，还有就是床弩，威力更大，称得上是冷兵器时代的大杀器。阿拉伯军队在这方面显然逊色不少。马匹方面阿拉伯人占了绝对的优势，阿拉伯马是世界上最好的马种，这是唐军所不能相比的。

唐军方面，主将是高仙芝，副将为李嗣业，别将为段秀实，兵力为安西都护府二万汉军，盟军拔汗那以及葛逻禄部一万人。高仙芝时代“凡镇兵四十九万，安西节度兵二万四千”但罗斯之战居然出动安西都护府八成以上的兵马，说明这次高仙芝是下了血本的，也是对即将和阿拉伯的大战有心里准备的。唐军虽说是马步混合部队，但是唐军的步兵均有马匹，平时以马代步，作战的时候才下马作战，战斗力极为强大。

阿拉伯方面的主将是阿拉伯的呼罗珊总督阿布穆斯林，手下大将为齐雅德伊本萨里，兵力为呼罗珊本部宗教战士四万人，加上已经被阿拉伯控制的阿姆河与锡尔河流域的几乎所有属国的兵力十余万，总兵力当在十五万至二十万之间。在兵力方面，阿拉伯联军是占据了绝对的优势的。在素质方面，呼罗珊是是阿拉伯历代经营的军事重镇，又是阿拔斯王朝起家的地方，呼罗珊骑兵的素质在阿拉伯帝国中当属翘楚，都是精锐。

在高仙芝的指挥之下唐军是极其善战的，靠着步兵的强弓硬弩，高仙芝曾经占有很大的优势，唐朝骑兵一度完全压制了阿拉伯骑兵，但是由于阿拉伯联军数量极多，高仙芝无法取得最后的胜利。战斗进行到第五天，形势突变，唐军战斗到傍晚之后，葛逻禄雇佣兵突然叛变，他们从背后包围了大唐步兵并且断绝了他们与骑兵的联系。

而阿拉伯联军乘中国军队由于葛逻禄雇佣兵突然叛变而暂时混乱的机会，出动重骑兵突击唐朝军队的中心，于是高仙芝终于溃败，两万人的安西精锐部队，只剩下数千人逃出生天。在收拢残兵之后骁勇的高仙芝并不甘心，依然想进行一次反击，但是在副将李嗣业的劝说之下终于放弃。

由于对唐朝军队在怛罗斯战役中表现的惊人的战斗力印象深刻，阿拉伯人心有余悸，并没有乘胜追击，只是巩固了他们在中亚的霸权而已。

再后来因为阿拉伯军的主将阿布穆斯林功高震主而被谋杀，手下大将齐雅德伊本萨里也被处死，余部开始叛乱，呼罗珊陷入混乱，阿拉伯忙于平乱，对于遥远的大唐已经是有心无力了。而唐朝方面则由于安史之乱，国力大损，也只能放弃在中亚与阿拉伯的争夺。