如此双方僵持，高仙芝攻城五日不克，未免烦躁。忽探子来报，大食撤回进攻天竺与拜占庭之兵马，又集结援军四万，不久就要赶到。为救怛罗斯，竟先后集结了十万大军来救援，可见大食对大唐西域之垂涎已久与志在必得。
第六日，艾布·穆斯林得到快报，说援军四万，正从西、南两路而来，从背后袭击唐军，于是留下七千余人守城，率三万大军出城夹击唐军。高仙芝三面受敌，退守怛罗斯河（今奥李·阿塔附近），背水一战。唐军苦战了一昼夜，因高仙芝等身先士卒，众军奋勇争先，拼死力战，仍力保阵脚不乱，大食兵马见攻不破唐军阵型，反被杀伤甚众，心生怯意，攻势渐松，因此唐军初时损伤不大。
艾布·穆斯林见唐军顽强，又惊又怒，召集部将商讨大计。一人道：“唐军中有葛逻禄与拔汗那部作为盟军，若能离间他们和高仙芝的关系，则唐军死无葬身之地。”艾布·穆斯林喜道：“此计大妙，马上派出探子，看葛逻禄与拔汗那两部哪边更易入手。”黄昏时探子回报，说葛逻禄部惊慌失措，营中军士多有怨言，艾布·穆斯林听后喜笑颜开，一边安排第二日的全面进攻，一边安排细作，明日若不能歼灭唐军，则用细作去策反葛逻禄部。
至第七日，大食七万大军轮番上阵，唐军数日得不到休息，又不及造饭，饥困交迫，疲于奔命，此时再难支持，阵型大乱，大食兵马于是趁势冲进阵来。高仙芝临危不乱，指挥军士极力补救。楚天墀与李嗣业这时也顾不得许多，一时性起，杀人无数。两人挥舞着陌刀，四处救援，但在如此千军万马之中，纵有绝世神功，毕竟都极其渺小。两人往来冲突，仍挡不住大食兵马，只好护着高仙芝等沿怛罗斯河，往西退往康国（今撒马尔罕）。此时无法往东回碎叶城或疏勒，只好走一步是一步。唐军见主帅力求突围，又纷纷聚拢来，重立阵脚。
这一日双方都伤亡惨重，只杀得尸横遍地，怛罗斯河水尽成红色。是夜双方攻势暂歇，高仙芝清点人马，见伤亡八千余人，随行之盟军葛逻禄部也损失不少。
三更时分，忽有大食使者秘密来到葛逻禄部阵营，求见领头将领，送上数颗价值连城之宝石，许以其他重利，并答应以后大食扶助其在大唐北庭西北之地自立为国，以此挑唆葛逻禄部背叛唐军。葛逻禄首领一时利欲熏心，又见大食兵马乃唐军数倍，不免怯战，于是答应明天在战场上倒戈相向。
第八日，大食兵马全部出动，高仙芝且战且走，听探子回报康国有现成之工事可防守，于是奋力攻占下康国。艾布·穆斯林因料不到唐军不向东退反而向西突围，导致一时大意，他此时见自己辛苦修筑之战地工事竟落入唐军手中，不禁怒气填膺，命令所有兵马围困康国，务要活捉唐军主将。
黄昏时分，唐军进入康国，得以稍微喘息。这时葛逻禄首领见有机可趁，突然叛变，唐军大部正坐地休息，被杀个措手不及，顿时阵脚大乱。大食兵马见唐军阵中乱起，知是葛逻禄发难，于是趁机出动重骑兵突击唐军阵营中心。连日征战之唐军在内外夹击下再也支撑不住，终于溃败。唐军此时只有保住几位主将，夺路逃命，其时唐军之盟友拔汗那部众阻塞了狭窄的退路，人马壅塞，唐军情势危急，退无可退。李嗣业见状，恐拔汗那也参与叛乱，于是手持陌刀，亲自开路，连人带马打死了上百名拔汗那士兵，才为唐军打开生路。
别将段秀实见李嗣业不分青红皂白杀死盟军，颇为不满，昂然争辩道：“避敌先奔，无勇也；全己弃众，不仁也。幸而得达，独无愧乎。”李嗣业此时也为自己的莽撞和逃亡心急大感羞惭，为补前愆，亲率楚天墀与陌刀队断后，留拒追兵。陌刀队本来就勇猛绝伦，且都知此乃生死存亡之刻，个个奋不顾身，以一当百。大食将士见其锋芒毕露，胆寒心怯，不敢再行追击。李嗣业不敢恋战，收拢残余部众，追上高仙芝等人。阿拉伯前队害怕唐军的弩箭与陌刀阵，却也不敢过分紧逼。
高仙芝虽见士卒伤亡殆尽，所馀虽只数千人，并不丧气，道：“胜败乃兵家常事，且收拾兵马，明日再战。”李嗣业见状，从旁劝道：“大使，如今大势已去，纵然杀得一万敌人，也攻不下怛罗斯。”段秀实也道：“大使，不如速回安西，重整兵马再来。”高仙芝虽然极不甘心，但在李嗣业等人之数度劝说之下终于放弃，寻路欲东回大唐。
行进约一百五十余里，高仙芝令唐军残部就地休息，不到一炷香的时间，忽听得后方万马奋蹄，原来大食兵马加速追赶，铺天盖地而来。高仙芝翻身上马，大叫道：“来得好！儿郎们，生死存亡，就在此刻！李将军，列阵。”李嗣业也跃上马背，与段秀实指挥余众列阵。楚天墀眼见此时凶险万分，想起自己在大唐开国名将李靖的《卫公兵法》上学过的六花阵与抵抗麻长老时所见识之八卦阵，虽很不纯熟，但此时无暇顾及，于是上马扬鞭，指挥军士排成八卦阵。高仙芝此时已知楚天墀为无涯亲传的弟子，大为信任，于是命李嗣业等听从楚天墀指挥。
人少好布置，楚天墀安排妥当后，跃马站在阵前。这时大食的五千先头部队已蜂拥而至，带兵的正是齐雅德。楚天墀提起一口中气，朗声道：“大食将士们，且歇息一下，我大唐军士向来公平，绝不在此以逸待劳。”声音洪亮，虽在千军万马之嘈杂声中，人人皆听得清清楚楚。齐雅德不知唐军何意，又见唐军排阵并不整齐，且多有坐在地上者，恐有阴谋，于是约束部众，在军前喊道：“有活捉高仙芝者，赏银一千两。”唐军将士听见，个个气愤填膺，但不得楚天墀号令，俱不动身。
楚天墀纵马上前，客客气气地对齐雅德道：“贵军十万火急赶来，必然疲倦，为公平起见，将军且歇一歇，过会再厮杀不迟。”楚天墀运上内力，声音缓和，令人听之不想反对。此时大食将士俱都听见，果然有不少人因百里加急，人困马乏，见唐军不即厮杀，乐得下马歇息。齐雅德数日来也颇为疲困，本来就不想打头阵，但被艾布·穆斯林逼迫而来，心中已不舒服，又见部下确实困乏，便喊道：“全军就地休息，准备厮杀。”
约半柱香的时间，楚天墀估计唐军已恢复体力，而大食兵马正处于疲困暂歇后极不愿动弹之时刻，于是向李嗣业等使个眼色，忽地振臂长呼。唐军上下得到楚天墀之进攻信号，一个个如猛虎下山般冲进大食阵营。大食兵马原挟锐气而来，若一鼓作气，疲困的唐军绝不是对手。如今唐军回复体力，且杀气冲天，而大食兵马虽得以暂歇，但正如一个极疲惫的人，若接着做事，倒还有劲；若休息了一下再要他做事，那可千难万难。因此，此时的大食兵马上下皆无战心，眼见唐军虽然人少，但如虎入羊群，于是从齐雅德以下，大食将士们纷纷逃窜。
楚天墀等不意大食兵马溃败得如此之快，甚至连八卦阵都还没用上，但此时也顾不得许多。众人多日以来一直被数倍于己之兵力包围，很是压抑，此时得以大展拳脚厮杀，更加奋不顾身。齐雅德兵败如山倒，此时逃命要紧，其余全顾不上。正逃亡中，忽见前头尘土大起，知是接应自己的后续部队到了，于是喝令全军列阵。但此时人心惶惶，逃在最前面的恨不能逃远一点，逃在最后的恨不能逃快一点，无论齐雅德怎样约束，奈何无人听话。
大食援军眼见前头尘土飞扬，不明状况，只好停止行进。待得溃军奔近，已来不及准备，前阵顷刻被冲乱阵脚。约莫乱了两刻钟，溃军才在援军之安抚中安定下来，但后部已被唐军杀伤两千余人。楚天墀见大食援军来到，加上溃军，估计约有万余人，于是向高仙芝道：“大使，敌人援军已到，应尽快结阵，否则各自冲杀，我军必定吃亏。”高仙芝道：“正是，公子快传令下去。”于是楚天墀朗声喊道：“结阵！诸军结八卦阵！”唐军听到召唤，立即恢复原位，结阵以待。
此时大食兵马已回过神来，齐雅德又惭愧又气愤，聚齐部众，与援军向唐军冲杀而来，而此时唐军之八卦阵已结阵完毕。八卦阵乃李靖根据《孙子兵法》之八卦阵与诸葛亮之八阵图演变而来，按遁甲分成生、伤、休、杜、景、死、惊、开八门，加上中军共是九个大阵。中军由十六个小阵组成，周围八阵则各以六个小阵组成，共计六十四个小阵。八阵中，天、地、风、云为“四正”，青龙、白虎、朱雀、螣蛇为“四奇”。大阵包小阵，大营包小营，隅落钩连，曲折相对，内圆外方。
按三国时诸葛亮之说法，此阵变化万端，可挡十万精兵。然此时唐军兵少，空旷之地又无法依托地利，因此无法布置完全，且训练时日甚短，故楚天墀也只能走一步是一步。齐雅德不识此阵，不知凶险，冲进阵来，暮然间但觉昏天暗地，飞沙走石，朗朗乾坤顷刻间变成乌云盖顶。齐雅德大惊失色，同时听得自己的部众哭爹叫娘；而大食后来之援军不明状况，还在奋勇向前。
八阵图以乾、坤、巽、艮四间地，为天、地、风、云正阵，作为正兵；西北者为乾地，乾者为天阵；西南者为坤地，坤者为地阵；东南之地为巽居，巽者为风阵；东北之地为艮居，艮者为山，山川出云，为云阵；以水火金木为龙虎鸟蛇四奇阵，作为奇兵。且四正四奇，可相互转化。
楚天墀此时全身真气流动，纵有流箭，亦伤不着，但见其挥舞着陌刀，纵横于千军万马之中，指挥唐军阵型变化。大食虽有万余兵马，但因不识我中华阵法之奥妙，硬是拿不下这大唐残存的数千将士。
酣战多时，楚天墀见己方稳住了阵脚，而敌方已渐渐不辨方向，于是换阵攻击。此时大食兵马虽众，但觉睁眼即见唐军往来冲突，人人心惊胆战，失魂落魄，不知霄汉之中，风云之下，到底有多少唐军。约两个时辰后，天地间的厮杀声已停止，时间也仿佛凝固。高仙芝站在马背上，看着地上横七竖八之尸体，此役虽大获全胜，但想起自己带来的两万四千联军，除葛逻禄部临危叛变外，生还者不到三千。一念及此，不免虎目含泪。李嗣业等清点战场，发现唐军死伤一百余人，而大食方面，除了齐雅德率千余人逃回怛罗斯外，八千余热血穆斯林，都丧身于此。
李嗣业清点完毕后，指挥士卒收集战场上散落之粮草、马匹与辎重，然后向高仙芝汇报完，高仙芝点点头，没有回答。李嗣业知其心中难受，道：“大使，如今我们粮草暂时无忧，但若不能攻下城池，于今之兵力，终不可久守，且回安西从长计议。”高仙芝缓缓地点了点头，对李嗣业道：“李将军，本使自十五岁开始在战场上驰骋，此后纵横天下，未尝一败。今次我轻敌而来，致使我大唐血性男儿近两万人捐躯于此，本使有何面目回去大唐！”
李嗣业安慰道：“大使，若非葛逻禄部临危变节，我等岂能如此惨败？大使无须过于自责，还请振作起来，重商大计。”这时唐军已经集结完毕，众人自追随高仙芝以来，未尝见他如此失落，都心中难受。段秀实振臂高呼道：“誓死追随高大使！”于是众军跟着山呼道：“誓死追随高大使！”高仙芝见众军与己一心，又看到遍地之尸首，不禁热血沸腾，仰天长啸。楚天墀见状，也长啸起来，于是李嗣业等众军都仰天长啸。
清理完己方阵亡士兵之尸首后，高仙芝下令回军。回到安西，李嗣业向高仙芝说起段秀实曾对自己的指责，以为段秀实是不可多得之人才，想收回到自己麾下，高仙芝答应了，于是李嗣业“以秀实兼都知兵马使，为己判官”。
高仙芝一回安西，立即上书朝廷，请求添兵，并将剩余兵力集中在突骑施部落，以防阿拉伯人入侵。此役大食虽投入十万大军，但七万人死于战场，且最后一万人据齐雅德而言死得莫名其妙，因此艾布·穆斯林心中害怕，慑于高仙芝及其部众惊人之战斗力与杀伤力，不敢再明目张胆地追击。
李嗣业与楚天墀回到疏勒后，叶青已产下一子，专等楚天墀回来取名字。李、游二人兵败归来，本来极为丧气，但见此时家中添一男丁，又都高兴起来。楚天墀道：“如今尽快写封家书，告知此事，兼请祖先生取个学名。”林氏笑道：“还等你现在说，孩子生下第二天，我就已打发人将信送到驿站，按日程算来，此时你们家里与祖先生那边不但都应该知道此事，恐怕回信都快要到了呢。”叶青抱出儿子，送到楚天墀怀中，嗔道：“孩子都三个多月了，你再不回来，他就要爬着去找你了。”说得一家人都笑了起来。
楚天墀但见儿子天庭饱满，地阁方圆，十分开心。他问明出生时日后，心中推算，发现那日刚好文曲星值守，更是高兴，遂对众人说起此事，李嗣业道：“好！好！就指望他以后出将入相了。”林氏笑道：“看老爷糊涂的，文曲星只管做宰相，哪能做将军啊。”李嗣业哈哈笑道：“正是，正是。”叶青道：“学名就交给祖先生，过几年也不迟，如今还得有个小名才好。我和义母这些天来都称他为宝宝，天哥，你说用什么名字好。”楚天墀此时不免随俗，对李嗣业道：“义父，常闻得老人家言，取个不雅的小名，孩子就容易养。义父见多识广，不如义父取一个吧。”李嗣业道：“正是，文曲星下界，正要避着小人，好名字容易招来鬼祟，如今还是用小牛吧，又壮实又讨人喜欢。”楚、叶二人都知道小牛是乡下常见的吉利名字，都大为赞同。
不几日，龟兹传来消息，高仙芝被罢免兵权，入京赋闲。原来,怛罗斯之战后，唐玄宗因高仙芝损兵折将，龙颜大怒，但念及其往日功劳，又听说其虽战败，但仍重创大食，杀敌七万余人，因此不忍重责，只解除其安西四镇节度使之职，入京任右金吾大将军，节度使一职由王正见担任。王正见随后奏请封常清为安西四镇节度、营田副使、行军司马，玄宗许之。因高仙芝一力承担所有罪责，李嗣业等人得以免罪，只被罚俸一年。
高仙芝回安西后，本想重整旗鼓，再去大食，争夺吐火罗（今阿富汗一带）等失地，但见玄宗下诏，只好入京。新任节度使王正见乃守成之将，不敢轻易开战，而此后之节度使也未完全收复失地，因此部分“昭武九姓”之地不久后不再附庸国于大唐，也离中国版图而去。
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