起因
怛罗斯之战可以说是东西方两大帝国势力扩张的必然后果。
早在公元七世纪初，被阿拉伯人称为“列王之父”的阿卜杜勒·麦立克（685－－705年在位）的任命之下，哈查只·伊本·优素福被任命为掌管东方的最高权利者，在他的领导下，阿拉伯帝国的疆域向东方获得了极大的扩张，由于垂涎中国的富庶，他应许他的两个大将：穆罕默德和古太白，谁首先踏上中国的领土，就任命谁做中国的长官。于是古太白·本·穆斯林·巴西里征服了塔立甘、舒曼、塔哈斯坦、布哈拉等大片中亚地区，而穆罕默德·伊本·卡西木征服了印度的边疆地区，当阿拉伯帝国的势力在和唐王朝经营的安西四镇接壤后，战争无法避免。在开元三年和开元五年，阿拉伯帝国对唐朝所属的安西四镇的入侵战争均遭到失败之后，阿拉伯帝国仍旧执着地向中亚进行扩张。750年，阿拉伯帝国发生革命，阿拨斯王朝建立，继续执行东扩的计划。
为了打破阿拉伯在中亚的统治，唐安西节度使高仙芝以西域藩国石国“无番臣礼”为由，领兵征讨，石国请求投降，高仙芝允诺和好；但是不久高仙芝即违背承诺，攻占并血洗石国城池，掠走男丁，屠杀老人、妇女和儿童，抢夺财物，并俘虏石国国王并献于阙下斩首。侥幸逃脱的石国王子向阿拔斯王朝求救。高仙芝得到消息后，决定采取先发制人之策，主动进攻大食，战争由此爆发。
地点
怛罗斯的所在地还未完全确定，但应在吉尔吉斯斯坦与哈萨克斯坦的边境，接近哈萨克斯坦的塔拉兹（曾称江布尔）的地区。史书记载，高仙芝翻越葱岭（帕米尔高原），“深入七百馀里”，其实已经在阿拉伯的势力范围上作战，阿拉伯在补给、情报等方面占了绝对的优势。
军力对比
唐朝方面，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”怛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。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，制造横刀的技术后来被日本学去，成就了日本刀后世的声名。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。阿拉伯军队在这方面显然逊色不少。由于高仙芝在与阿拉伯大军对战之前曾经围攻怛逻斯城，我们有理由推测高仙芝还使用了车弩，也就是后世所称的床弩。
阿拉伯方面的主将是阿拉伯的呼罗珊总督阿布.穆斯林（AbuMuslim），手下大将为齐雅德.伊本.萨里（ZiyadibnSalih），兵力为呼罗珊本部宗教战士（ghazi）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。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。
战斗经过
高仙芝于天宝10年四月（公元751年），从安西出发，准备先发制人。在翻过帕米尔高原（葱岭），越过沙漠，经过了三个月的长途跋涉之后，高仙芝在七月份到达了阿拉伯人控制下的怛逻斯，并且开始围攻怛逻斯城。由于阿拉伯人早就在准备对安西四镇的攻击，在接到高仙芝进攻的消息之后立即组织了十余万的大军赶往怛罗斯城，双方在怛逻斯河两岸、今天的奥李－阿塔（Aulie－Ata今江布尔）附近展开了决战。
在高仙芝的指挥之下唐军骁勇善战，靠着步兵的强弓劲弩，唐军曾经占有很大的优势，唐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。史载战斗持续了五日，第五日傍晚，葛逻禄（Qarluq）番兵突然反叛，从背后包围唐步兵，并且断绝了他们与骑兵的联系。阿拔斯王朝联军乘唐军发生混乱的机会，出动重骑兵主力突击唐步兵。高仙芝受到阿拉伯与葛逻禄部两面夹击，无力支撑，终溃不成军。高仙芝、副将李嗣业和别将段秀实收拢残部，向安西方向败退，途中恰逢大唐联军的拔汗那兵也溃逃至此，兵马车辆拥挤堵塞道路。李嗣业恐阿拉伯追兵将及，杀死百余名拔汗那军士才得以率先通过。两万人的唐安西精锐，最后只剩数千名残军。
尾声
慑于对唐军在怛罗斯战役中展现的惊人战斗力，阿拔斯王朝也打消东进扩展领土的打算，只是默许了葛罗禄在阿姆河与锡尔河流域附近的扩张。他们自立了一国家，并一直维持至九世纪末被后来建立Kara－KhanidKhanate的入侵者消灭。此外阿拉伯军的主将阿布.穆斯林由于功高震主被杀，手下大将齐雅德.伊本.萨里也被处死，其余部于是叛乱，呼罗珊陷入混乱，阿拉伯忙于平乱，对于遥远的中国已经是有心无力了。
而中国方面，天宝十四年（755年）十一月，安禄山叛反于范阳，天下大乱，唐朝在西域的辉煌也随着盛唐的崩溃而随风消逝，只留下那些不朽的诗篇还在被后人传唱…
影响
怛罗斯中葛逻禄部族是极其关键的角色，他们的叛变成为了怛罗斯之战的转折点。关于葛逻禄部反叛的原因，或许是和阿拉伯人交易的后果，葛逻禄人帮助阿拉伯人打败唐朝军队，而阿拉伯则默许葛逻禄人在两河流域附近的扩张。
安西都护府在怛罗斯之战后损失惨重，精锐损失殆尽，但是盛唐时期的恢复能力是惊人的，仅仅过了两年，升任安西节度使的封常清于天宝十二年（753年）进攻受吐蕃控制的大勃律（今克什米尔西北的巴勒提斯坦），“大破之，受降而还。”这说明安西都护府的实力并未伤及根本，若非安史之乱，大唐是有能力再次和阿拉伯人一较长短的。
怛罗斯之战导致阿拉伯帝国完全控制了中亚，中亚开始了整体伊斯兰化的过程。此外更重要的一点，唐军在战斗中不下万人被俘，其中有许多能工巧匠，如造纸匠、纺织匠、画匠等等，唐高度发达的文明经阿拉伯在西方世界传播，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工作，撒马尔罕成为了阿拉伯帝国的造纸中心，对西方文明的迅速发展起了重要而深远的推动作用。