据阿拉伯史书《创世与历史》记载，阿拉伯人在接到高仙芝进攻的消息之后，驻巴士拉的东方总督艾布•穆斯林立即下达命令，部将塞义德•本•侯梅德带部下数千人的部队抢先驻守怛逻斯城中，加强防守，为大军集结赢得时间。艾布•穆斯林带着自己的一万人赶往撒马尔罕构筑工事准备大战，齐雅德和另一将领艾布达•乌德•哈里德•本•伊卜拉欣•祖赫利召集河中的驻屯军1万人迅速赶往怛罗斯城，（可能还包含艾布•穆斯林的一部分部队），高仙芝攻城五天不克，阿拉伯援军赶到，从背后袭击唐军（段秀实传围城五日不克），在外围警戒的葛逻禄部雇佣兵见事不妙突然逃跑，导致唐军阵脚顿时大乱。葛逻禄的行为在唐军看来是彻底的背叛，阿拉伯联军趁机出动重骑兵突击唐军阵营的中心，连日征战的唐军在内外夹击下再也支撑不住，终于溃败，高仙芝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将及，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。此前李嗣业还曾劝高仙芝弃兵逃跑，被段秀实斥责为“惮敌而奔，非勇也；免己陷众，非仁也”。在收拢残兵之后，高仙芝并不甘心，依然想进行一次反击，在李嗣业等的劝说之下终于放弃。最后高仙芝只得引残兵逃至安西。

    萧沅得到消息时，怛罗斯战争已经结束。

    战争历时一个多月，唐军因无援兵增援而与失败告终，这也唐朝历史的第一次没有援兵下的败战。