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唐军的战术也很先进，如果是主动进攻或者两军混战时，骑兵主要担负从侧后方迂回到敌军后方，与正面步兵刀阵两线夹击，实现围歼。这种打法很先进，二战时日本陆军的主要战术就是迂回，看来是从唐朝那会儿学的。
阿拉伯方面也有优势，首先人数众多，阿拉伯联军号称20万之众，而唐军只有2万主力，剩下的1万为战力有限的雇佣兵，其次阿拉伯马举世闻名，唐军不及，另外唐军深入阿拉伯境内700余里，属于孤军深入，又无后援，只能寄希望于一战获胜。
高仙芝率军到达怛罗斯城下后，开始组织攻城，这时候，20万阿拉伯援军赶到，与3万唐军激战五日，初期唐军步骑混合作战的战法显示了强大威力，一度压制住了阿拉伯骑兵，但唐军虽然勇猛，无奈长途跋涉，疲劳不堪，阿拉伯联军人数众多，唐军无法速胜，陷入苦战，到第五日，唐朝联军的葛罗禄部雇佣兵突然叛变，他们从背后进攻唐军。而阿拉伯联军乘唐军由于葛罗禄雇佣兵突然叛变而暂时混乱的机会，猛攻唐军正面，唐军腹背受敌，终于溃败，2万精锐汉军，仅数千人逃出，阿拉伯人取得了怛逻斯之战的胜利。骁勇的高仙芝在收集残兵以后，仍然想组织一次反击，但在副将右威卫将军李嗣业的劝说下作罢。按照中国史籍记载，此战唐军死伤2万，但是按照阿拉伯史料记载，唐军阵亡5万人，另有2万人被俘（消息传到阿布·穆斯林那里，他派齐亚德·伊本·萨里前去交战。两军大战于怛逻斯河。穆斯林们最终战胜了他们，消灭近5万人，俘获约2万人，残部逃回中国。-《历史大全》），双方数据出现如此差异估计与阿拉伯方面夸大战果有关。
值得一提的是，战役经过中国方面的各类史书均无详细记载，只有寥寥数语（仙芝闻之，将番汉三万众击大食，深入七百余里，至怛罗斯城，与大食遇，相持五日，葛罗禄众叛，与大食夹击唐军，仙芝大败，士卒伤亡略尽，所余才数千。-《资治通鉴》），因此战争经过只能根据中国和阿拉伯方面的史籍记载推测。至于为什么如此重要的作战行动，史籍却无详细记载，我想大概是因为高仙芝此战师出无名，又加上惨败而回，安西都护府精锐尽失，在盛唐时期打了如此大的一场败仗，所以史家并没有把这么丢面子的事详细记录，只寥寥数语一笔带过罢了。
中国古代史上少有的跨地域对外作战就这样结束了，两大帝国在中亚的争霸战也结束了，怛罗斯之战是中国历史上最被忽略的一场战争，此战可看作是阻止阿拉伯人东进的一次虽败犹荣的战役，唐朝虽然败了，但是通过此战，阿拉伯人看到了唐军强大的战斗力，遂打消了继续东进的念头（阿拉伯帝国在东方的最高长官尤素福曾许诺手下的两个大将，谁首先踏上中国的领土，就任命谁做中国的长官），唐朝也因为此战，失去了继续向西扩张，甚至进入西亚的能力（数年后安史之乱的爆发，让唐帝国彻底退出了对中亚霸权的争夺），使得中亚广大地区在此后的100年间慢慢的被伊斯兰化。另外值得一提的是，按照阿拉伯史籍的记载，此战唐军被俘数万人，里面有大量随军的工匠，其中的造纸工匠将中国的造纸术传入了阿拉伯地区。
