石国王子远恩哭诉于大食，大食的阿拔斯国王也称黑衣大食，接待了远恩，他们正想向东扩张，有这样的好机会，不能不利用。阿拔斯立即对石国王子许诺，大食军队已经做好准备，捕捉战机，在有利的时候，袭击唐朝安西四镇，为他报仇。
高仙芝得知后，与封常清、段秀实商议，封常清说道：“与其守株待兔，不如主动出击，趁其不备打他们一个措手不及。打痛了他们，就不敢贸然进攻我国的边境了。”段秀实说道：“大食强大，单靠安西的兵恐难打胜。元帅要强攻，就得争取朝廷增兵。”
高仙芝采纳了封常清的建议，决定先发制人，主动进攻大食。他立即上奏，唐玄宗接到高仙芝的奏折，看过之后对大食的扩张十分气愤。立即批准了他的计划，但没有唐军增援，要他调动附属国的军队，全面击退大食的蚕食。接到圣旨，高仙芝率领李嗣业、段秀实等大将，及正规军两万，加上拔汗那盟军和葛逻禄部军队各五千人，攻击大食。
唐朝要在中亚树立霸权就必须击败大食国，而大食国已经崛起，要完全控制中亚地区，也要树立军威。这是一个传统的强国与一个新兴的强国之间的战争，为了建立霸主地位，就必须击败对方的挑战。
这场战争，不可避免，对双方来说，都是只能胜不能败的。如果一方落败，将失去对西域小国的控制，带来无穷无尽的麻烦。
唐朝主将高仙芝，具有山地作战的经验，副将李嗣业勇猛异常，别将段秀实足智多谋。但高仙芝出动安西都护府八成以上的兵马，想以不足唐朝二十分之一的军队，打败正在掘起的大食国，多少有些轻敌。
虽然在唐代时，中**队无论装备、素质、士气还是将帅能力都达到了冷兵器时代的一个高峰。但不作全国性动员，单凭高仙芝区区三万军队，就发起进攻，完全低估了对手的实力。
当时唐军野战常用的阵形之一是“锋矢阵”，冲在最前面的是手执陌刀，勇猛无畏重装骑兵带领轻装步兵，冲击敌军阵地，接着是步、骑兵突击。后列则有弓弩手仰射，掩护军队冲锋。这种战法就象二战时期的炮火掩护，坦克冲击，步兵掩护跟进的战术一样。攻击有序，配合默契，一举能够完全击溃对方。
陌刀的攻击力极为可怕，列阵时“如墙而进”，肉搏时威力不减，李嗣业便是一员善使陌刀的猛将。骑兵方面则是轻重骑兵结合，一般使用马槊和横刀。重甲骑兵使用马槊，兵器长，有效攻击距离远。横刀短，便于近身肉搏。唐代改进了冶炼技术，灌钢法取代了百炼法，使铁制战刀更加锋锐。
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，重量减轻了许多，而防御能力却有所提升。
唐军的抛射兵器弩，是当时最先进的远程打击兵器。中国的弩早在秦汉时期便已独步天下，到了唐朝更加成熟完善，其射程与威力远非寻常弓箭可比。
唐军的基本战术是‘侧翼迂回，前后夹击。’唐军将步兵列阵的威力和骑兵强大的机动性能通过‘畜力化运载步兵’这一创新完美的结合到了一起，发挥了历史上最强大的“反骑兵军团”的威力。
高仙芝之所以敢大胆进攻，依赖的就是唐军的战斗力，几次远程攻击的成功也使他自信加大。但大食国不同于西域小国，他们的步兵列阵之时用长矛配盾牌，是传统的装备。大食国的大马士革刀在世界上享有盛誉，步骑两用的阿拉伯弯刀锋锐无比。当时就享有盛名，唐杜甫就在《荆南兵马使太常卿赵公大食刀歌》里面称赞阿拉伯刀“吁嗟光禄英雄弭，大食宝刀聊可比。”
大食国骑兵的装备也是长矛加盾牌，并且装备弓箭。与唐朝相比，大食国的军力处于下风，唯一优势在于骑兵。阿拉伯马乃当时世界上最优秀的马种，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。大食国骑兵主要是轻骑，虽然盔甲较差，但保证了机动性。其武器包括弓箭、长矛、剑等，锋利无比，很适合马上作战。
双方都是志在必得，但这是不对等的军事较量。唐军只动用了二十分之一的军队，而且深入腹地。大食国几乎是全国动员，倾所有军力进击唐军。
三万大唐联军长途奔袭，深入大食国七百余里，探知其怛罗斯城③只有少量军队防守。高仙芝命令，立即向怛罗斯城进军，想一举拿下这座空城，作为他们进军的桥头堡。
唐军加速向怛罗斯城前进，大食国一直注视着高仙芝的军队，在接到唐军向怛罗城进军的消息之后。驻巴士拉的东方总督艾布?穆斯林立即下达命令，其部将塞义德?本?侯梅德带领八千部队，日夜兼程，加上他们地形熟，抢先驻守了怛逻斯城中。
七月份高仙芝到达了中亚名城怛罗斯城下，唐军到达城池时，已经不是一座空城了，对方早有准备。高仙芝虽然出乎意外，但箭在弦上，不得不发。不顾军士的疲惫，立即发起攻击，遭到了大食军队的顽强抵抗。
段秀实建议撤军，高仙芝说道：“敌人只有八千军队，能坚守几日，加紧攻击一举拿下坦罗斯。”组织军队开始围攻怛罗斯城，李嗣业手舞陌刀，冲向城门。塞义德?本?侯梅德在城楼上从容镇静，指挥军队用弓箭阻击。
唐军在城边建立起驽箭阵地，伏远驽、角弓驽等远程打击武器，射程远，攻击力强，大食兵士纷纷坠下。守将塞义德?亲自在城楼上督战，加强防守，不顾军士的伤亡，严令军士射击，阻止唐军冲锋，虽然伤亡巨大，但保住了城池不失。
高仙芝攻城五天不克。大食元帅艾布?穆斯林赢得时间，亲自带领两万精兵赶往怛罗斯构筑工事准备大战。同时命令部将齐雅德和另一将领艾布达?乌德?哈里德，以及本?伊卜拉欣?祖赫利召集河中的驻屯军，各带一万人也迅速赶往怛罗斯城。
五万阿拉伯援军赶到，从背后袭击唐军，双方在怛罗斯河两岸，即今天的奥李?阿塔附近展开了决战。
大食国的军队从数量和气势上都超过了唐军，而唐军在战斗力上占有上风。如果正规决战，谁胜谁负还很难说。但唐朝的葛逻禄部雇佣兵见事不妙突然叛变，唐军阵脚顿时大乱。
大食联军趁机出动重骑兵突击唐军阵营的中心，连续攻城五天的唐军，此时已经疲惫不堪，在内外夹击之下，再也支撑不住。
李嗣业劝高仙芝弃兵逃跑，段秀实当面斥责这种行为是“惮敌而奔，非勇也；免己陷众，非仁也”。高仙芝提枪上马，冲向敌军。其时唐军在大食联军的冲击下，已经溃不成军。高仙芝浴血奋战，但阵营已乱，无法组织有效抵抗。军队被冲散，他在夜色掩护下单骑逃脱。
李嗣业、段秀实收拢散兵游勇向安西逃遁，途中恰逢中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赶到，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。好在大食国的军队没有穷追猛打，唐军逃脱。
高仙芝一人一骑向龟兹狂奔，途中碰上了李嗣业和段秀实，会合之后，立即收拢残兵，重新整顿兵马，逃回安西。清点人马，唐军损失惨重，两万人的安西精锐部队几乎全军覆没，阵亡和被俘各自近半，只有千余人得以身还。所有重装备都丢弃在战场上，车驽无一部回还。
注①：唐朝时期地名，现今的乌孜别克斯坦塔什干。
注②：唐朝官衔名称，从一品。
注③：唐朝时期地名，现今的哈萨克斯坦的江布尔城附近。