当高仙芝率大军抵达石国时，石国国王向唐投降，高仙芝允诺与石国和好，但是不久却违约出兵攻打石国，血洗城池，掳掠人口，并将石国国王俘获，交给朝廷处死。高仙芝因军功被授予右羽林大将军。石国王子逃往阿拔斯王朝求救，阿拔斯王朝决定乘机进军中亚。

751年，高仙芝自安西出发，渡葱岭，越沙漠，三个月后抵达怛罗斯。但此时的怛罗斯已经由阿拉伯军队守卫，于是，高仙芝令唐军围攻怛罗斯。阿拉伯方面在接到唐军围攻的消息后，东方总督艾布?穆斯林遣部将塞义德?本?侯梅德率领千人左右前往救援，自己亲率1万人前往，准备大战。此外河中地区的1万驻军在齐雅德的带领下也奔赴怛罗斯。高仙芝攻城五日未果，阿拉伯的援军抵达，从背后突袭了唐军，唐军中的葛逻禄部雇佣兵见局势不妙，发生了叛变，致使唐军阵脚大乱。在阿拉伯骑兵的冲击下，唐军溃败。高仙芝不得不率领残兵逃往安西。

两大帝国的交锋以唐朝方面的大败落下了帷幕，这表明，两大帝国在争夺中亚领导权的斗争中，唐朝失去了对中亚的领导权。而后不久唐朝爆发了安史之乱，为了平定内乱，西域的守军被大量调往内地，唐朝在西域的势力甚是空虚。长期与唐朝在葱岭一带进行斗争的吐蕃则趁机入侵。

安史之乱后，唐朝国力下降，边防空虚，再也无力经营西域了，唐朝的势力逐渐退出中亚。阿拉伯帝国虽然在怛罗斯战役中获胜，但阿拉伯人并不是一个人数十分庞大的民族，控制从西班牙到北非再到中亚这广阔的领土，已经达到阿拉伯人武力控制的极致了。再加上唐朝势力退出西域后，吐蕃势力趁机进入，取代了唐在西域的地位，对阿拉伯帝国的东进也形成了牵制。因此，在怛罗斯战役后，阿拉伯帝国在中亚的疆域也稳定下来。