外国学者估计“200,000以上”人，包括赶来的齐亚德援军；柏杨的《中国人史纲》估计“200,000”人。
阿拉伯史料《肇始与历史》提到"大批将领和招募来的兵士聚集在塞义德那里（怛罗斯城）"；《旧唐书》记载“举兵围怛逻斯，黑衣救至”；《新唐书》记载“围怛逻斯城。会虏救至”。
据《布哈拉史》（未提及怛罗斯之战）记载齐亚德先率10,000人前往布哈拉，遂与城王库特巴合力20,000人镇压什叶派，后转战撒马尔罕。外国学者多支持20,000至30,000人的说法，包括拔汗那国和葛罗禄的士兵。
中国学者白寿彝主张60,000至70,000人的说法，包括拔汗那国和葛罗禄的士兵；王治来在引述白寿彝观点支持此说。
据《旧唐书》和《新唐书》记载“兵20,000”、《唐历》记载“蕃、汉30,000众”、《段秀实别传》记载“蕃、汉60,000众”。
唯一两部有关此战的阿拉伯史料记载皆为100,000人。但外国学者认为这个数字被严重夸大。伤亡与损失不详《旧唐书》和《新唐书》记载“数千”幸存者（指20,000至30,000人中的幸存者）。
阿拉伯史料《肇始与历史》记载死45,000人、俘25,000人、幸存30,000人。
阿拉伯史料《历史大全》记载死50,000人、俘20,000人、幸存30,000人。
《通典·边防序》记载“怛逻斯川70,000众尽没”。怛（dá）罗斯之战（阿拉伯语：معركة نهر طلاس），又称怛逻斯之役或但逻斯之役，是中国唐朝安西都护府的军队与来自现在阿拉伯地区的阿拉伯帝国阿拔斯王朝（即黑衣大食）、包含昭武九姓国在内的中亚诸国的一场冲突，也是中国跟阿拉伯的第三次直接冲突。怛罗斯的所在地还未完全确定，但大致在葱岭（今帕米尔高原）以西、吉尔吉斯斯坦与哈萨克斯坦的相邻边境——塔拉兹地区。怛罗斯之战发生在中国唐玄宗天宝十年（公元751年），因大唐联军的葛逻禄部叛唐，最终导致唐军失利。有学者认为怛罗斯之战是当时历史上最强大的东西方帝国间的直接碰撞，也有学者认为这场战争仅是两个帝国边疆上的抵触和小冲突。
背景唐朝方面怛罗斯战役的起因，据中国史书记载，是西域藩国石国“无番臣礼”。大唐安西节度使高仙芝领兵征讨，石国请求投降，高仙芝允诺和好；但是不久高仙芝即违背承诺，攻占并血洗杀烧掳掠石国城池，掠走男丁和妇女，屠杀老人和儿童，抢夺财物，并俘虏石国国王并献于阙下斩首。侥幸逃脱的石国王子向阿拔斯王朝求救。高仙芝得到消息后，决定采取先发制人之策，主动进攻大食。鉴于当时唐帝国在西域的影响，有许多葛逻禄及拔汗那国的军卒参加大唐的军队，组成的大唐联军有三万多人（另有说法为七万多人），其中唐兵占三分之二。高仙芝率领大唐联军长途奔袭，深入七百余里，最后在怛罗斯与大食军队遭遇。怛罗斯的所在地还未完全确定，但应在今日吉尔吉斯斯坦与哈萨克斯坦之间的唐朝边境，接近哈萨克斯坦的塔拉兹（曾称江布尔）的地区。
在唐玄宗开元三年（715年）和开元五年（717年），阿拉伯帝国倭马亚王朝和唐朝间接性战争均遭到失败之后，阿拉伯帝国仍旧执着地向中亚进行扩张。750年，阿拉伯帝国发生革命，阿拔斯王朝建立，继续执行东扩的计划。在此情况下，唐朝经营西域的四镇都知兵马使高仙芝以石国（昭武九姓之一，阿拉伯帝国的附属国）无蕃臣礼节为由，发动了对石国的战争，借机打击阿拔斯王朝在中亚的势力，战争由此爆发。
阿拉伯方面伍麦叶王朝（倭马亚王朝）根据现在历史研究，怛罗斯战役是东西方两大帝国势力扩张的必然后果。早在7世纪后半叶，被阿拉伯人称为“列王之父”的哈里发阿布杜勒·马利克（685-705年在位）的任命之下，哈查只·伊本·优素福被任命为掌管伊拉克总督，在他的领导下，阿拉伯帝国的疆域向东方获得了极大的扩张，由于垂涎中国的富庶，他应许他的两个大将：穆罕默德·伊本·卡西木和屈底波·伊本·穆斯林，谁最先踏上中国的领土，就任命谁做中国的长官。于是屈底波征服了阿姆河流域的布哈拉、撒马尔罕等中亚地区，而穆罕默德征服了印度的北部地区，当阿拉伯帝国的势力在和唐朝经营的安西四镇接壤后，战争无法避免。
750年的舒莱克叛乱（阿拔斯王朝）在怛罗斯之战爆发的前一年，也就是750年，河中地区布哈拉（安国）发生一次当地阿拉伯人的什叶派起义，什叶派人数为30,000人，首领阿拉伯人舒莱克（Sharikh ibn Shaikh），这次起义是阿拔斯王朝建立后，在中亚地区的第一次起义。据纳尔沙希（卒于959年）所撰《布哈拉史》记载，当时阿布·穆斯林派齐亚德·伊本·萨里率10,000队伍前去镇压，而阿布·穆斯林本人驻扎在呼罗珊首都梅尔夫（木鹿）附近。齐亚德·伊本·萨里渡过阿姆河来到布哈拉城下与起义军激战了37天，在同起义军的战斗中，多次被打败。后来粟特布哈拉王库泰巴（Qutaiba）率10,000队伍协助镇压阿拉伯什叶派教徒。布哈拉城外的城堡非阿拉伯人居民比城内多，阿拉伯人都居住于布哈拉城内，粟特布哈拉王库泰巴下命令关闭布哈拉城外的700所城堡城门，防止任何起义军队进入城堡，又使起义者得不到所需粮食和饲料。不久起义者只好放弃据点，转移到努肯德村（Nukende），其后舒莱克亦战死，起义队伍遂瓦解。齐亚德·伊本·萨里攻入阿拉伯人主要居住地点布哈拉内城，下令放火烧城，烟火连天，三日不息。舒莱克的一个儿子和副首领出降，他们被俘虏后被齐亚德·伊本·萨里下令吊死。于是内城的阿拉伯人坚守城池不投降，3日后，齐亚德·伊本·萨里下令攻入内城，阿拉伯居民大部分丧命，被俘虏的人都被吊在城门之上，最终内城被攻破。齐亚德·伊本·萨里又转战撒马尔罕（康国），打击当地残余什叶派教徒势力。尽管布哈拉王库泰巴对阿布·穆斯林效力，参加镇压起义人民，但阿布·穆斯林仍不信任他，于同年将他处死，库泰巴的两位兄弟Sakan（750-757年在位）和Bunyat（757-782年在位）即位为布哈拉王。
起因石国之战爆发的起因高仙芝为何要讨伐石国，学界理解不一，大多数中国学者只是按照汉文史料中的记载，认为因石国王于藩臣之礼有亏，故而高仙芝奏请讨之。不过，据阿拉伯史料记载，高仙芝是在750年破竭师国回途中，应拔汗那王之请而攻击石国的。石国王被高仙芝擒至长安后，斩首阙下。紧接其后自二月开始，拔汗那就频频派遣使团远赴长安。从阿拉伯史料的记载来看，拔汗那遣使应该是有酬谢唐廷为己出兵平怨之意。据汉文文献记载，怛罗斯之战所发蕃兵中，除葛逻禄部众外，西域诸胡中仅见拔汗那兵，别无他国助唐抗击阿拔斯王朝，这不仅表明高仙芝伐石国的暴虐所招致的中亚诸国的不满，同时也和阿拉伯文献中所记的拔汗那、石国结怨，而高仙芝替拔汗那讨伐石国吻合。拔汗那理所当然要站在唐廷一边，因为怛逻斯之战的引发，说到底是同拔汗那与石国不和有关。高仙芝之所以讨伐石国，一方面在于石国、拔汗那不和而为拔汗那讨之；另一方面，据日本学者前峙信次研究，石国之战爆发之原因是因为石国与黄姓突骑施相互勾结，触动了唐朝在碎叶川一带的利益，因而引起唐朝对石国的不满。以下为石国之战后，中国史书记载的高仙芝入朝献俘之事：
安西四镇节度使高仙芝执突骑施可汗及石国王。
——欧阳修等，《新唐书·卷五·玄宗本纪》
安西节度使高仙芝入朝，献所擒突骑施可汗、吐蕃酋长、石国王、朅师王。
——司马光，《资治通鉴·卷二百十六》
安西四镇节度、特进兼鸿胪卿员外置同正员、摄御史中丞高仙芝，生擒突骑施可汗、吐蕃大首领及石国王并可敦及杰帅来献。
——王钦若等，《册府元龟·卷一百三十一》
这些异邦酋首并不是同时被擒获，但高仙芝是将他们一并来献的。在列举这些酋首时，皆是将突骑施可汗放在最先，其次是吐蕃大首领，然后是石国国王及可敦，最后是羯师。中国学者毕波认为这种排序方式应该不是随意为之，而是按其在唐人眼里的重要程度而定的。突骑施可汗被置于最先，无疑表明突骑施在当时唐人眼里的重要性，但史籍对于此可汗之所属，以及高仙芝为何擒之却未着一字。日本学者前峙信次认为，高仙芝擒获的是与唐朝对立的黄姓突骑施所立的可汗；因为从740年石国副王莫贺咄吐屯与唐朝共击吐火仙可汗等黑姓突骑施来看，石国和黄姓突骑施的关系是密切的。分析石国和唐朝之间的关系，不能脱离开与突骑施的关系，这从以下材料也可得到证实：
从平石国，及破九国胡并背叛突骑施。
——刘昫等，《旧唐书·卷一百九·李嗣业传》
四镇平石国，及破九国胡并背叛突骑施等贼
——《唐天宝十载二月十二日制授张无价将军官告》
这里说明高仙芝出兵讨伐平石国、破九国胡并背叛突骑施三件事，应该是一系列相互关联的举动，可以看作是750年高仙芝所采取的一次大的军事行动的几个部分。史料在提到突骑施时前面皆冠以“背叛”一词，这关键的两个字已揭示出高仙芝出兵突骑施的原因。除石国、突骑施，史料都提到了九国胡，此处的九国胡就是九姓胡，即粟特人；据记载，碎叶川有流寓于该地的昭武九姓胡众。石国不仅与反唐的黄姓突骑施纠结在一起，而且还得到一些流散的粟特胡众支持，削弱了唐朝对西域的控制。因此，高仙芝借讨伐石国之机，对其一并打击。不过由于高仙芝在讨伐过程中的一些过激行为，最终引发次年的怛逻斯之战。
怛罗斯之战爆发的起因怛罗斯之战的起因众说纷纭，有关此战引发的原因皆见于中、阿文献记载：
将兵讨石国，平之，获其国王以归。仙芝性贪，获石国大块瑟瑟十馀石、真金五六馲驼、名马宝玉称是。
——刘昫等，《旧唐书·卷一百四·高仙芝传》
从平石国，及破九国胡并背叛突骑施，以跳荡加特进，兼本官。初，仙芝绐石国王约为和好，乃将兵袭破之，杀其老弱，虏其丁壮，取金宝瑟瑟驼马等，国人号哭，因掠石国王东，献之于阙下。其子逃难奔走，告于诸胡国。群胡忿之，与大食连谋，将欲攻四镇。
——刘昫等，《旧唐书·卷一百九·李嗣业传》
讨石国，其王车鼻施约降，仙芝为俘献阙下，斩之，由是西域不服。其王子走大食，乞兵攻仙芝于怛逻斯城，以直其冤。仙芝为人贪，破石，获瑟瑟十馀斛、黄金五六橐驼、良马宝玉甚众，家赀累钜万。
——欧阳修等，《新唐书·卷一百三十五·高仙芝传》
仙芝特以计袭取石，其子出奔，因构诸胡共怨之，以告大食，连兵攻四镇。
——欧阳修等，《新唐书·卷一百五十一·李嗣业传》
安西节度使高仙芝劾其无蕃臣礼，请讨之。王约降，仙芝遣使者护送至开远门，俘以献，斩阙下，于是西域皆怨。王子走大食乞兵，攻怛逻斯城，败仙芝军，自是臣大食。
——欧阳修等，《新唐书·卷二百三十八·西域传·石国》
高仙芝之虏石国王也，石国王子逃诣诸胡，具告仙芝欺诱贪暴之状。诸胡皆怒，潜引大食欲共攻四镇。
——司马光，《资治通鉴·卷二百十六》
中国史书记载高仙芝在攻打石国的过程中进行烧杀掳虏，大肆掠夺财物，在俘虏了石国王后其国王子逃难，并奔走告于诸胡国，中亚诸国皆怨，乃与阿拉伯连谋欲攻安西四镇。值得一提的是，715年张孝嵩出兵龟兹镇，率部在中亚的连城进攻吐蕃与倭马亚共立的拔汗那王阿了达，连屠粟特三座城，后中亚八国全都派遣使者朝贡，此战以屠城手段震慑了西域诸国，从而出现万国来朝的场景。至于这次高仙芝屠城为何就引起中亚诸国的不满，由于史料的欠缺其原因仍有待考证。据中国史书记载，石国王被高仙芝擒至长安后，斩首阙下。其后，拔汗那就频频派遣使团远赴长安。
这一年，拔汗那（费尔干纳）的伊赫希德（Shishpir）与石国王反目为仇。伊赫希德向中国国王求救。中国国王派出10万大军驰援，将石国王包围。石国王归顺中国国王，他和手下没有受到他（中国国王）的迫害。
——伊本·艾西尔 （1160-1233年），《历史大全》
阿拉伯史书记载，拔汗那与石国结怨，高仙芝替拔汗那讨伐石国，而高仙芝也没有对石国进行迫害，石国王也愿意归顺唐朝，后段和中国史书记载恰好相反。拔汗那王与石国王之间出现矛盾，互生怨恨，但结怨起因何在、怨有多深，难以考证。美国藏学家白桂思推测，在怛罗斯之战前夕，拔汗那和石国开始彼此怀有敌意，此后不久，突骑施背叛唐朝，与石国王伊捺吐屯屈勒之子车鼻施站在一边，反对拔汗那王阿悉烂达干，而骨咄国王（今塔吉克斯坦杜尚别）很可能支持拔汗那王。台湾学者张日铭推测，两国的不和或是由于存在领土纠纷，或是因为石国反对拔汗那王阿悉烂达干的亲唐政策，而这种政策在突骑施旧领地内损害了石国利益。
石国的双王制度石国一直由突厥人所控制，8世纪开始实行二头政治，正、副王均由突厥人担当。石国与唐朝关系密切，朝贡不绝，接受唐朝的册封和节制，接受唐朝统治。正王号称特勤（即突厥官号），副王为吐屯（也是突厥官号），伊捺吐屯屈勒即属该系，伊捺吐屯屈勒是莫贺咄吐屯之子，伊捺吐屯意为“小吐屯”；据《册府元龟》记述，740年三月，因为助唐朝平息突骑施吐火仙可汗之乱 ，莫贺咄吐屯被唐朝册封为石国王。741年副王伊捺吐屯屈勒遣使上《请讨大食表》，请击倭马亚；746年三月，石国副王伊捺吐屯屈勒与特勒正王分别遣使朝献。对于石国的这种双王制，唐朝很可能有所了解，所以把伊捺吐屯屈勒记作“石国副王”以示区别。值得一提的是，特勤石国正王仅出现在《册府元龟》里，而《新唐书》、《唐会要》等史籍关于石国的记载则无一例外都是副王。这似乎暗示，在750年高仙芝伐石国之前，副王是由唐朝册封的，所以得到唐朝的支持与认可。
关于高仙芝在石国之役所擒的到底是石国正王还是副王众说纷纭。中国学者毕波认为，高仙芝于750年俘获的石国王，不是当时的副王伊捺吐屯屈勒，而应当是属于石国正王特勤。如果《新唐书·高仙芝传》所记为车鼻施的话，那应当属于曾经入贡唐朝的石国王特勤的继承者；而美国藏学家白桂思则认为高仙芝俘获的石国王为副王伊捺吐屯屈勒之子车鼻施，不过此车鼻施指的是那俱车鼻施，而车鼻施是石国特勤王的继承者。特勤、吐屯的石国王都向唐朝朝贡，但是，随着石国与拔汗那的反目及其他原因，特勤石国王对唐朝不再守蕃臣之礼，因而促使唐将高仙芝兴师讨伐。
战役怛罗斯之战关于高仙芝大军集结前往怛罗斯的时间、地点等细节问题，正史并无太多记载，不过，高仙芝僚属的岑参的几首诗作中留下了一些资料。高仙芝可能是在献俘后的751年四月辞长安，五月整师西征，直到五月时唐朝大军还在集结当中，尚未开赴战场。大军至少计划六月过西州所属之赤亭镇。
史载怛罗斯战斗持续了五日。初期战斗唐王朝的精锐步兵占上风，但是大唐联军的葛逻禄部倒向大食，葛逻禄部与大食军夹击唐军，唐军步兵因此与唐军主力失去联络，阿拔斯王朝联军乘唐军士兵发生暂时混乱的机会，出动重骑兵主力对唐朝步兵猛攻，高仙芝受到大食与葛逻禄部两面夹击，无力支撑而溃不成军。势危之时，副将李嗣业劝高仙芝弃军逃跑，于是高仙芝、副将李嗣业和别将段秀实收拢残部向安西逃遁，途中恰逢大唐联军的拔汗那兵也溃逃至此，兵马车辆拥挤堵塞道路。李嗣业惟恐大食追兵将及，杀死百余名拔汗那军士才得以率先通过。别将段秀实责备李嗣业说：“惮敌而奔，非勇也；免己陷众，非仁也。”李嗣业甚感惭愧。最后高仙芝等和数千名唐兵逃至安西。此役以大食军完胜奔袭问罪的大唐联军为结局，唐三万余士卒近乎全没，只有少数逃脱。
碎叶之战虽然史籍中很少提及748年以后碎叶和突骑施情况，1973年出土的吐鲁番文书却提供了非常宝贵的补充材料。其中就中提到天威军征碎叶之事，不过对于天威军征碎叶的人数则没有提及。749年六月陇右节度使哥舒翰率63,000兵夺回青海石堡城，置神武军，后更名天威军。
天威军征碎叶的时间是在751年七月之前，在751年一月高仙芝入朝献俘突骑施可汗、石国王之后，碎叶地区局势并未因此稳定下来，反而可能因为高仙芝此举变得更加动荡不安。因而高仙芝在得知阿拔斯王朝欲攻四镇时，欲却敌于外，又恐碎叶地区的反唐黄姓突骑施势力于后掩袭，于是派天威军赴碎叶以减轻自身压力。高仙芝在发兵前往但逻斯阻击阿拔斯王朝及诸胡时，不能不顾及碎叶川一带残余的反唐黄姓突骑施势力。前往怛逻斯既然是悬师远征，自然在军事补给、接受救援等方面有诸多不便。天威军赴碎叶的军事行动是配合前往怛逻斯阻敌的高仙芝大军进行的，其目的是为了避免碎叶一带的突骑施配合援助石国的阿拔斯王朝军队行动，从背后攻击唐军。因此高仙芝在发汉兵及葛逻禄、拔汗那的蕃兵前往怛逻斯的同时，也部署天威军专赴碎叶去对付反唐的黄姓突骑施势力，以防遭到两面夹击。天威军赴碎叶是在七月之前，最迟到八月中已经完成其使命，从碎叶战场返回。
