怛羅斯之戰唐軍為何失敗？天寶十年四月(751)高仙芝率軍從安西出發，在翻過蔥嶺、越過沙漠、經過了三個月的長途跋涉之后，高仙芝在七月份到達了阿拉伯人控制下的怛羅斯，并且開始圍攻怛羅斯城(今哈薩克斯坦的江布爾城附近)。事后的許多歷史研究者和軍事家對此感到困惑，高仙芝的數萬中國軍隊是如何在面臨高原缺氧、且幾乎沒有補給可能的情況下翻越帕米爾高原(時間長達2個多月)？而這樣一支理應疲憊不堪的軍團還能在達到目的地后與擁有地利人和、數量數倍于己的阿拉伯軍隊作戰，這本身已經是戰爭史上的奇跡了。

由于阿拉伯人早就在準備對安西四鎮的攻擊，在接到高仙芝進攻的消息之后立即組織了十余萬大軍趕往怛羅斯城，雙方在怛羅斯河兩岸、今天的奧李·阿塔附近展開了決戰。由于唐軍將士極其英勇善戰，加上強弓硬弩的技術優勢，高仙芝曾經占得上風，阿拉伯聯軍先后7次進攻均被唐軍步、騎兵壓制住。阿拉伯軍隊一味依賴輕騎兵突擊的弱點再次暴露無疑：這種戰術在訓練有素、陣形整齊的敵人面前很難湊效，19年前他們在歐洲的圖爾之戰中正是敗在了堅守陣地的法蘭克人手下，停止了對西方的擴張。但這次由于阿拉伯聯軍兵力實在太多，高仙芝無法取得最后的勝利。

戰斗持續了五天，雙方仍是不分勝負。然而就在兩軍相持不下的重要時刻，形勢發生突變。在第五天傍晚的激戰中，葛邏祿部雇傭兵見勢不妙突然叛變(事后有人認為是被阿拉伯人買通的結果)，這成為戰役的轉折點。叛軍從背后包圍了唐軍步兵，斷絕了他們與騎兵的聯系。唐軍突然失去了弓弩手的支援，陣腳頓時大亂。阿拉伯聯軍趁機出動重騎兵突擊唐軍陣營的中心，連日征戰的唐軍在內外夾擊下再也支撐不住，終于潰敗，高仙芝在夜色掩護下單騎逃脫。

李嗣業、段秀實收攏散兵游勇向安西逃遁，途中恰逢中方聯軍中的拔汗那兵也潰逃至此，造成兵馬車輛擁擠堵塞道路。李嗣業恐阿拉伯追兵將及，不惜對盟軍大打出手，揮舞大棒斃殺百余名同屬大唐聯軍的拔汗那軍士，才殺開一條血路，殘余唐軍得以通過。此前李嗣業還曾勸高仙芝棄兵逃跑，被段秀實斥責為“憚敵而奔，非勇也;免己陷眾，非仁也”。在收攏殘兵之后，驍勇的高仙芝并不甘心，依然想進行一次反擊，在李嗣業等的勸說之下終于放棄。最后高仙芝只得引殘兵逃至安西。

此役唐軍損失慘重，兩萬人的安西精銳部隊幾乎全軍覆沒，陣亡和被俘各自近半，只有千余人得以身還。但唐軍也重創了阿拉伯部隊，殺敵7萬余人。懾于唐軍所表現出的驚人戰斗力，阿拉伯人并沒有乘勝追擊，只是鞏固了他們在中亞的霸權而已。而中國方面由于幾年后爆發安史之亂，國力大損，也只能放棄在中亞與阿拉伯的爭奪。與此同時，吐蕃的崛起成功的阻擋了阿拉伯人的東進，避免了唐朝西部疆土的進一步失守。