葛逻禄虽然提前逃跑，但是由于带领大量部众，前进速度不快，唐军毕竟是轻装前进，很快就在伊犁河北岸追上葛逻禄的部众。
葛逻禄部众受阻于伊犁河，由于人马众多，无法快速过河，只能朝伊犁河下游移动，企图到水浅的地方渡河。唐军发现葛逻禄的人马后，立即展开大规模的进攻。葛逻禄的骑兵为了保护自己的部众逃离，被迫掉头迎战唐军。
唐军看到葛逻禄的骑兵冲来，放缓进攻速度，区分波次进行射击准备，待葛逻禄骑兵进入射程后，唐军开始了第一轮齐射，大量的葛逻禄骑兵中弹身亡。
其余的葛逻禄骑兵加快突击速度，企图快速冲进唐军的阵营内，砍杀唐军，没想到紧接着迎来第二波齐射，然后是第三波齐射，连续密集的齐射打的葛逻禄骑兵伤亡惨重，根本无法突破唐军的阻击线，不得不掉头逃跑。
唐军看到葛逻禄骑兵逃跑，立即开始追击，那些葛逻禄骑兵扔下部众，沿着伊犁河向西狂奔。唐军放弃这些溃兵，转而直接攻击葛逻禄的大量部众，这些部众都是拖家带口，带着很多牲畜牛羊，根本跑不快，被唐军一番攻击，纷纷投降。
葛逻禄可汗迦必略带着一些亲兵已经渡过伊犁河，看到对岸的唐军的攻势凶猛，己方败局已定，不得不抛弃部众，带着一千多亲兵向南逃去。
此役，唐军俘获了葛逻禄六七万部众，夺取了大量的牛羊物资。李愬不愿带着这些人进军，征收了一部分牛马作为军需物资以后，抓了一些贵族领头人物，然后就放了其他普通的民众，然后在伊犁河搭起一个简易的浮桥，率领大军渡过伊犁河。
为处置葛逻禄部众，加上搭设浮桥，唐军在伊犁河一带耽误了五六天，葛逻禄可汗迦必略趁机逃到大食国去搬救兵。李愬知道大食国兵力强大，必须慎重对待，不再急于进军，过了伊犁河以后收拢队形，带上重炮和辎重缓缓前进，同时派出斥候，侦察前方的敌情。
唐军渡过碎叶川（今楚河）后，继续前行了一段距离，斥候来报，前方发现大量的大食部队，李愬此次有备而来，当然不会害怕，率军继续前行。李愬远远望去，发现敌方大概有五六万军队，自己这边也有五万多人，双方算是旗鼓相当。
李愬算了一下，此地正在怛罗斯附近，仇人相见分外眼红，唐军有火器优势，本可以直接发起攻击。李愬认为，大食军在这里以逸待劳，必然是提前做了准备，自己这场仗只能胜不能败，还是要准备充分的一些。
李愬一面让斥候继续侦察，一方面排兵布阵，李愬让镇西军排在第一列，让炮兵排在中间，8个襄人团排在最后，前期尽量发挥镇西军的火力优势，最后冲击杀敌时再让襄人团参与。
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