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。
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