唐军在西域的前期主要集中于对付吐蕃。此后不久阿拉伯帝国国内发生了政权更迭。公元747年6月9日，阿拔斯人在呼罗珊开始了对伍麦叶王朝(中国称之为“白衣大食”)的战争，艾卜勒·阿拔斯(Abu al Abbas)以呼罗珊(Khurasan)为基地，在内战中节节胜利，于公元750年4月26日攻陷首都大马士革，阿拔斯王朝(中国称之为“黑衣大食”)建立。阿拉伯帝国进入了一个新的强盛时期，开始向中亚地区大肆扩张，与大唐帝国的激烈碰撞不可避免。
作战经过
唐军攻灭大食属国石国之后，黑衣大食联合河中所有属国准备反攻安西四镇。高仙芝很快得到这一情报，遂于天宝10年四月(公元751年)率大军出征，准备先发制人。
唐军翻越葱岭，穿过沙漠，经过三个月的长途跋涉，于当年七月抵达大食腹地怛逻斯城下，开始围攻该城。大食闻讯后立即组织十余万大军赶往怛罗斯城，双方在怛逻斯河(Aulie-Ata今江布尔)附近列阵决战。
在高仙芝指挥下，唐军官兵英勇作战。凭借手提陌刀的步兵不断列阵冲击，并充分发挥出强弓硬弩的优势，唐军在开战之初就完全占据了上风;唐朝的骑兵部队在步兵与弩兵的密切配合下，也一度压制住了以骁勇善战著称于世的阿拉伯骑兵。
在持续数昼夜的激烈对战中，唐军予大食军官兵以极大的杀伤，史料中记述着“枭敌首数万”的辉煌战绩!但由于参战的阿拉伯联军数量极多，在数量上完全居于劣势的唐军始终无法有效地歼灭敌军。战役进入了僵持!
战役进行到第五天傍晚,唐军之中的葛逻禄(Qarluq)雇佣兵突然反叛，从背后包围唐军步兵并阻绝了他们与骑兵的联系，唐军顿时阵脚大乱!
阿拉伯联军乘机出动重骑兵突击大唐军队阵形中心，高仙芝部不敌溃败，两万人的安西精锐部队，经过血战后仅有数千人突围!在收拢残兵之后，骁勇的高仙芝并不甘心，还想发动一次反击，最后在副将李嗣业的劝说下才放弃。
重要人物
大食军主将阿布·穆斯林此战后不久因功高震主被杀，手下大将齐雅德·本·萨里也被处死，其余部反叛，呼罗珊陷入动荡。
在唐朝积蓄力量准备与阿拉伯帝国再较高下时，天宝十四年(公元755年)11月，安禄山叛反于范阳，天下大乱。高仙芝等将领先后被杀。
主要武器
唐军
步兵均使用陌刀，威力极大，列阵而出则“如墙而进”，单刀肉搏时威力不减。史料中记载大将李嗣业用陌刀肉搏时：当嗣业刀者，人马俱碎”。
骑兵则以轻重骑兵结合，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”。唐代横刀的锻造技术在当时世界上是很先进的，锻造出来的刀锋锐无比，而且步骑兼用，制造横刀的技术后来被倭奴学去，成就了倭刀后世的声名。
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，重量更轻，但防御力却大为提升。
唐朝军队在武器上最大的优势是拥有先进的弩，战时唐军一般会使用四种弩，“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)，四种弩在不同距离内均可对敌军构成有效杀伤。
唐军在与大食军直接交战前还曾围攻过怛逻斯城，因此可以推测唐军还动用了车弩，也就是后世所称的床弩。车弩为“十二石”强弩，以轴转车(即绞车)张弦开弓，弩臂上有七条矢道，居中的矢道搁一枝巨箭，“长三尺五寸”，“粗五寸”，以铁叶为翎，左右各放三枝略小的箭矢，诸箭一发齐起，李筌《太白阴经》中曾记述道：”所中城垒无不摧毁，楼橹亦颠坠”!可见威力之强。
大食军
阿拉伯步兵列阵时俱以长矛配盾牌。
大食军队装备的大马士革刀也是步骑两用，这种阿拉伯弯刀锋锐无比，在唐朝国内也享有盛名，唐代著名诗人杜甫就曾作《荆南兵马使太常卿赵公大食刀歌》，盛赞“吁嗟光禄英雄弭，大食宝刀聊可比。”其骑兵的装备也是长矛加盾牌，并且装备弓箭。关于阿拉伯人的盔甲由于资料不足，没有详细的资料。在马匹方面阿拉伯人更是占了绝对优势，阿拉伯马是世界上最好的马种，这是唐军所无法比拟的。
结局
唐军惜败怛罗斯城下!
历史意义
怛罗斯之战的直接后果是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，在西域绵延千年的汉唐文明开始淡出这一地区。
影响
黑衣大食是阿拉伯帝国的一个鼎盛时期，雄心勃勃的阿拨斯王朝四处扩张，甚至有征服中国的战略计划，在中亚与唐朝争夺控制权只是该计划的一部分。由于对大唐帝国军队在怛罗斯战役中表现出的惊人战斗力印象深刻，阿拉伯军队未敢乘胜追击，并由此放弃了进军中国的迷梦，转向对欧洲的扩张。此役中唐朝有大量技术人员被俘虏，中国的造纸术和火药由此西传，撒马尔罕一度成为阿拉伯世界的造纸中心，对后世影响深远。
轶事
突骑施：高仙芝准备恢复唐朝在西域势力之初，由于受到阿拉伯帝国强大的扩张压力，中亚诸国均开始向黑衣大食臣服!先前由于与吐蕃连年征战，唐军无力西顾，使西域防务空虚。但高仙芝也采取了一些手段来对抗阿拉伯的势力。突骑施是一支自西突厥汗国被唐军攻灭后仍活跃于中亚的强大突厥人武装，曾经对唐朝边境不断骚扰，后来接受唐朝招安，臣服于唐朝，并以大唐帝国代理人的身份和阿拉伯人在中亚对抗过一段时期。突骑施在后期再度叛唐，最终在阿拉伯帝国的猛烈打击下彻底败亡。突骑施残部归附了黑衣大食，成为阿拉伯帝国扩张的爪牙。