怛羅斯之戰是唐朝安西都護府的軍隊與阿拉伯帝國的穆斯林、中亞諸國聯軍在怛羅斯相遇而導致的戰役。怛羅斯所在地還未完全確定，但應在蔥嶺以西、吉爾吉斯斯坦與哈薩克斯坦的相鄰邊境、塔拉茲地區。
戰役的發生時間在天寶十年。以阿拉伯帝國慘勝告終。這是阿拉伯與大唐幾次邊境衝突中唯一一次打勝安西軍。此戰對唐朝、阿拉伯雙方的疆域幾乎沒有影響。戰後，唐朝仍然控制西域，並且繼續擴張。
公元六到八世紀，歐亞大陸上有三個大帝國正處於興盛期，分別是拜占庭帝國、阿拉伯帝國和唐帝國。唐太宗、唐高宗時期，突厥汗國、薛延陀汗國、西域諸國、西突厥汗國先後被唐朝所滅，唐朝擴張並且開始統治河套、漠南、西域、漠北、安南等地。伊吾、鄯善、高昌、焉耆、龜茲、疏勒、于闐等西域小國或被迫投降於唐朝、或被武力滅國。唐朝從此建立了以安西都護府、北庭都護府為核心的西域統治體系。
幾乎在同一時期，中東的阿拉伯人也在迅速崛起，從阿拉伯半島開始，經過戰爭擴張成一個橫跨歐亞非三大洲的空前大帝國，向西佔領了整個北非和西班牙，向東則吞併了整個西亞和大半個中亞，控制了地中海南岸的整個地區。阿拉伯帝國成為唐朝之外影響中亞的另一力量。八世紀初，阿拉伯帝國在東方的最高長官哈賈吉·本·優素福應許他的兩個大將——穆罕默德和古太白·伊本·穆斯林，誰首先踏上中國的領土，就任命誰做中國的長官。
於是前者征服了印度的邊疆地區，屠殺、趕走了大量非穆斯林，後者征服了塔立甘、舒曼、塔哈斯坦、布哈拉等大片中亞地區，但誰都沒能跨過中國的國界。開元三年，阿拉伯聯合吐蕃進攻中亞錫爾河的國家拔汗那，被唐軍擊敗。
阿拉伯帝國由於地理上的巨大優勢，影響力慢慢的體現出來，中亞諸國原本大多信奉佛教、祆教等或自己的傳統宗教，對伊斯蘭文化的東進感到不安，於是不少國家向唐朝求援。而突騎施由親唐轉變為反唐。開元二十四年，蓋嘉運指揮唐軍大破突騎施。開元二十七年，蓋嘉運指揮唐軍大勝突騎施，突騎施可汗蘇祿被殺，突騎施新可汗吐火仙、黑姓可汗爾微都被唐軍擒獲。
天寶初年，吐蕃以武力迫使小勃律娶吐蕃公主。小勃律國地處吐蕃通往安西四鎮的要道。天寶六年，高仙芝率唐軍步騎一萬進行長途遠征，從安西出發，用百餘日到達連雲堡。連雲堡地勢險要，且有萬人吐蕃兵防守，但高仙芝指揮下的唐軍作戰神勇，半天時間便攻佔了該城。
吐蕃在娑勒城聚集了十萬軍隊，高仙芝在夜裡指揮軍隊渡河，派李嗣業率領唐軍發起進攻，打的吐蕃軍慘敗，吐蕃軍大潰敗、逃跑時十分之八、九的人摔死、溺死。此後高仙芝率兵繼續深入，越過險峻的坦駒嶺，進入阿弩越城，攻佔了小勃律國，派唐軍駐守小勃律國，高仙芝帶著活捉的小勃律國王及吐蕃公主返回。此役之後，唐軍在西域威名更盛，高仙芝也被提拔為安西四鎮節度使。
天寶九年高仙芝再度奉命出軍，擊破親附吐蕃的車師國，俘虜其國王勃特沒。這兩次艱難的遠征使得高仙芝在西域獲得了極大的聲譽。此時，中國已經成為塔里木地區、伊犁河流域和伊塞克湖地區的佔有人和塔什干的宗主，他控制了帕米爾山谷地區，成了吐火羅地區，喀布爾和克什米爾的保護者，高仙芝儼然是大唐在中亞的總督。
天寶九年，高仙芝以石國“無番臣禮”為由，征討石國。石國請求投降，高仙芝允諾。不久高仙芝違背承諾，擄走石國國王及其部眾，格殺老人與小孩，搜取財物。天寶十年正月，高仙芝入朝，將被俘的幾位國王獻於玄宗面前，高仙芝被授予右羽林大將軍，並將石國國王斬首。此時高仙芝達到了征戰生涯的最高峰。僥倖逃脫的石國王子遂向黑衣大食求救。
為了阻止大食的東進，以攻為守，遠征大食對於深諳兵法的高仙芝來說似乎成為可行手段。高仙芝於天寶十年四月，從安西出發。在翻過帕米爾高原，越過沙漠，經過了三個月的長途跋涉之後，高仙芝在七月份到達了阿拉伯人控制下的怛邏斯，並且開始圍攻怛邏斯城。由於阿拉伯人早就在準備對安西四鎮的攻擊，在接到高仙芝進攻的消息之後立即組織了十餘萬的大軍趕往怛羅斯城，雙方在怛邏斯河兩岸附近展開了決戰。
在高仙芝的指揮之下唐軍驍勇善戰，靠著步兵的強弓勁弩，唐軍曾經佔有很大的優勢，唐騎兵一度完全壓制了阿拉伯騎兵。但是由於阿拉伯聯軍數量極多，高仙芝無法取得最後的勝利。史載戰鬥持續了五日，第五日傍晚，葛邏祿番兵一萬多人突然反叛，從背後包圍唐步兵，並且斷絕了他們與騎兵的聯繫。
阿拔斯王朝聯軍乘唐軍發生混亂的機會，出動重騎兵主力突擊唐步兵。高仙芝受到阿拉伯與葛邏祿部兩面夾擊，無力支撐，終潰不成軍。高仙芝、副將李嗣業和別將段秀實收攏殘部，向安西方向敗退，途中恰逢大唐聯軍的拔汗那兵也潰逃至此，兵馬車輛擁擠堵塞道路。李嗣業恐阿拉伯追兵將及，殺死百餘名拔汗那軍士才得以率先通過。兩萬人的唐安西軍，最後只剩數千名人。
儘管怛羅斯戰役戰敗，唐王朝的整體實力，以及在西域的影響力並未受到動搖；戰後，唐王朝仍在中亞繼續擴張；753年，封常清攻佔大勃律菩薩勞城，而於755年達到了西域經略的鼎盛；從長安安遠門西行至唐境西陲是1.2萬里，隴右作為東西交流的咽喉要地，成為唐朝最為富庶的地方。756年，參與怛羅斯戰役的拔汗那與阿拔斯王朝仍派兵助唐鎮壓安史之亂。
唐朝並未因怛羅斯之戰而丟失西域，此戰役中，阿拉伯、中亞聯軍也損失極其慘重，戰後阿拉伯帝國意識到，自己國內最精銳的軍隊竟然是和大唐的一個邊防軍進行的大決戰，要不是唐軍招募的一萬西域大軍中途叛亂，自己的十幾萬大軍很有可能全軍覆沒，最不可思議的是這麼重要的戰役，唐都長安的統治者認為只是一次小戰爭。大唐正規軍根本就沒有出戰。
意識到唐朝國力勝於自己數倍的阿拉伯阿拔斯王朝立即派人來與唐朝講和。唐朝與阿拉伯之間的關係，並未見受到此戰的顯著影響，阿拔斯在對華關係方面上與前朝沒有什麼改變。怛羅斯之戰後中的47年，阿拔斯使臣來華的17次記錄，自戰後的6年，每年均有阿拔斯使臣來朝，僅753年就來了四次，見於《冊府元龜》記載者有。
唐朝最後退出中亞爭奪的根本原因，並不是怛羅斯之敗，而是安史之亂。由於安史之亂爆發，即使是怛羅斯之戰獲勝，唐朝依然會退出中亞。
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