与石国一样，突骑施也是当时西域各国中与唐朝关系最亲密的国家之一。石国与突骑施的被攻打，引起当地民众的反抗，唐军因此大肆镇压，被害者除石国的老弱之外，多为在石国贸易的昭武九姓的胡商。于是，高仙芝在向朝廷报功队又多了一项“破九国胡”(20)。　　天宝十年(751)正月二十四日，高仙芝入朝，献其所俘获的突骑施可汗、吐蕃酋长、石国王、朅师王。那俱车鼻施行至长安的西北的开远门时，被唐玄宗所杀。移拨可汗也被处斩。玄宗以高仙芝功勋卓著，加授开府仪同三司。大概是不长时间，唐玄宗识破了高仙芝西征的底细，迁就了高仙芝，没有治他的罪，所以高仙芝及其部下虽有灭国之功，但却没得到重赏。不久，唐玄宗任命高仙芝为武威太守，并代安思顺为河西节度使，欲将其调离西域。但由于安思顺讽劝部下“割耳捴面”苦苦相留。此时监察御史裴周南也上奏，故此令未能实行，遂改任右羽林大将军。　　由于高仙芝的一系列的错误行为，使唐朝在西域的威望大大下降，“由是西域不服”(21)。石国王子逃到诸胡部落，将高仙芝欺诱贪暴之事遍告诸胡昭武。诸胡部落大怒，就暗中联合大食国欲共攻安西四镇。大食遂以此为借口，实施其扩张计划。　　高仙芝获知此事后，收中不安，遂决定先发制人。四月，高仙芝亲率蕃、汉兵3万攻打大食。唐军深入大食国境700余里，到怛罗斯城(又作咀逻私，即今哈萨克共和国东南部江布尔城)，与大食军遭遇(参见怛罗斯之战)。唐军虽在兵力上居于劣势，但因高仙芝指挥有方，所以双方激战五日，未见胜负。但在双方相持的重要时刻，唐军中的葛罗禄部众突然叛变，与大食前后夹击唐军，高仙芝大败，乘夜间逃跑。由于道路阻隘，拔汗那部众又在前面挡住去路，人马壅塞道路，幸亏右威卫将军李嗣业奋起大棒，为他杀开一条血路，才得以逃脱。这次战役，士卒死亡略尽，高仙芝仅率数千人逃回。　　从军事角度上讲，怛罗斯之战在中国战争史上只是一次普通的作战，但它对当时的世界格局却影响重大。唐军的失败，使唐在中亚的羁縻府州沦丧殆尽。安西都护府属下的精兵死伤惨重，所剩至几，在以后的日子里，对于入侵之敌，仅有招架之功，再无反击之力。唐朝的号令也不再西出伊犁河。不久，安史之乱爆发，唐再也无暇顾及中亚。不仅如此，唐朝还征发西域精兵入关勤王，北庭和安西又抽调了7000人，只剩一些老弱病残守卫西边，以致不得不依附于新兴的回纥国，勉强支撑残局。后来吐藩与葛逻禄相联合，首先攻陷了北庭都护府；不久，吐蕃又独力攻陷了安西，唐朝彻底退出西域。八世纪末，回纥汗国强盛，征服天山以北的葛逻禄，赶走天山以南的吐蕃，势力远达碎叶，西域终于归于回纥汗国。怛罗斯一战对大食的影响也很大。大食取得了中亚诸国后，重征赋税，经济实力大为增长，为其继续扩张打下了基础。同时被俘的唐军中有造纸工匠，造纸术也从此传入西方。