第六天，黑衣大食的援軍全部進入戰場，雙方隨即在怛羅斯河兩岸展開了決戰。東亞與西亞最強大的兩個帝國，就在這裡發出了最強烈的碰撞。
在兵力居於劣勢的情況下，唐軍依然頑強奮戰。戰鬥開始後一段時間內，雙方勢均力敵，難分勝負。然而，就在戰鬥進行到最激烈的當口，唐軍的陣腳突然一片大亂。
因為葛邏祿部落反水了。
這支為數不下兩萬人的胡人兵團在這時候倒戈，無疑是往高仙芝的心口上狠狠捅了一刀，也在頃刻間決定了這場戰役的結局。
在阿拉伯人和葛邏祿叛軍的前後夾攻下，原本還在竭力苦戰的唐軍再也支撐不住，瞬間全線崩潰，兩萬名漢人將士或戰死或被俘，幾乎全軍覆沒，只有高仙芝、李嗣業等幾名主將在夜色掩護下逃離了戰場。
當高仙芝等人逃至一處狹窄的山谷時，前方的道路被潰退的拔汗那士兵和大批車馬牲畜擠得水洩不通。李嗣業擔心黑衣大食的追兵殺到，就策馬前驅，揮舞大棒擊斃了一大片拔汗那士兵和馬匹，硬是殺開一條血路，高仙芝才得以安然通過。
當時的情況混亂不堪，僥倖未死的殘餘唐軍各自逃命，兵找不到將，將找不到兵，亂成了一鍋粥。只有部將段秀實一直在黑暗和混亂中搜羅散兵遊勇，想盡量抵擋黑衣大食的追兵，多挽救一些將士的生命。此時，段秀實恰好聽到了李嗣業正在棒打拔汗那士兵的叱罵聲，趕緊策馬追到他跟前，大聲說：「避敵先奔，無勇也；全己棄眾，不仁也。幸而得達，獨無愧乎？」（《資治通鑑》卷二一六）
遇到敵人自己先逃跑，是無勇；保全自己拋棄士兵，是不仁。就算你幸而成功逃脫，能不感到慚愧嗎？
聞聽此言，李嗣業羞慚不已，隨即把陌刀一橫，掉轉馬頭，和段秀實一起去尋找生還計程車兵。隨後，李、段二人集合了數千人，一邊抵擋追兵一邊撤退，最後終於把這幾千人安全帶回了安西都護府。
這場世界歷史上著名的會戰，就這樣以阿拉伯人的全勝、唐軍的慘敗而落下帷幕。
怛羅斯之戰的失敗，並非唐軍的戰鬥力弱於阿拉伯軍隊。相反，唐軍在勞師襲遠和兵力居於劣勢的情況下，依然打得十分英勇和頑強，給了對手相當程度的打擊和殺傷，倘若不是葛邏祿部僱傭兵突然倒戈，唐軍絕不會遭遇近乎全軍覆沒的慘敗。
作為主帥，高仙芝對此次戰敗雖不能負全責，但仍然要承擔一定責任。首先，是他悍然撕毀和約，發動對石國的入侵，並殘殺婦孺、劫掠財富，才導致了中亞諸國的同仇敵愾，並給黑衣大食提供了染指中亞的口實。其次，在面對黑衣大食這樣的強勢對手時，他仍然採用了過去那種長途奔襲的戰略，不能不說是一種決策上的失誤。
因為，深入敵境客場作戰，在軍事上是一種極大的冒險，只有像小勃律那種幾乎沒有任何抵抗力的弱國，才適合採用這個戰略，而面對黑衣大食這樣的強敵，唐軍必然會暴露出一系列問題：一、因地理環境陌生而導致行動遲緩，從而讓對手搶了先機；二、因客場作戰而導致情報匱乏，無法準確判斷敵人的兵力部署，從而未能及時改變戰略，並制定相應的戰術；三、孤軍深入敵境千里，沒有根據地，沒有援軍，沒有後勤補給，沒有休整再戰的轉圜餘地和時空條件，因此唐軍只能寄希望於一戰拿下怛羅斯，而一旦戰事陷入膠著狀態，唐軍的抗風險能力就降為零了。
葛邏祿人也許就是看出了唐軍面臨的諸多困境，才會斷然倒戈的。
可是，即便沒有葛邏祿人的倒戈，唐軍取勝的機會也很小，因為高仙芝的戰略決策已經從根本上決定了這場戰役的結局。就算葛邏祿人不反水，唐軍還是有可能戰敗，只不過不會敗得那麼慘而已。從這個意義上說，我們也許有理由作這樣的假設——假如換成是阿拉伯人長途奔襲，而高仙芝坐鎮安西、以逸待勞，也許這場戰役的結局就會全然不同了。然而歷史沒有假如。唐軍在怛羅斯戰敗後，中亞的命運被徹底改變。由於短短幾年後安史之亂爆發，唐朝自顧不暇，不得不放棄對中亞霸權的爭奪，再也無力染指帕米爾高原以西之地，原本親附唐朝的中亞諸國轉而臣服於阿拔斯王朝。從此，華夏文明徹底退出中亞，這一地區開始了整體伊斯蘭化的過程。
怛羅斯之戰後，唐軍戰俘中的造紙工匠被帶到阿拔斯王朝第一任哈里發建在撒馬爾罕的造紙作坊。從此，中國四大發明之一的造紙術傳入阿拉伯，進而傳播到中東和整個歐洲，對西方文明的程式產生了深遠的影響。
正是由於上述原因，怛羅斯之戰才會在世界歷史上留下深刻的印跡。雖然華夏文明最終退出中亞的主因並非怛羅斯之戰，而是後來的安史之亂，但無論如何，怛羅斯之戰都是中亞命運的一個重大轉折點，也是東西方文明發展史上的一個標誌性事件。
如果沒有後來的安史之亂，以當時盛唐的綜合國力，要重新奪回中亞霸權是完全有可能的。
事實上，就在怛羅斯戰敗的兩年後，安西唐軍就迅速恢復了以往的實力，大唐帝國也再次把軍事和政治觸角伸進了中亞，開始了新一輪謀求霸權的努力。
當然，這新一輪努力的代表人物不再是高仙芝了，而是大唐軍界的另一個後起之秀。
他就是封常清。
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