Ngày 10 tháng 7 năm 751, hai bên gặp nhau tại Aulie-Ata (trên bờ sông Talas). Kỵ binh Trung Hoa thoạt tiên có vẻ chiếm ưu thế trước kỵ binh Ả Rập, nhưng người Ả Rập đã thoả thuận trước với lính đánh thuê người Turk trong hàng ngũ quân đội Trung Hoa. Bộ tộc Karluk được hứa hẹn bằng vật chất và tự do để đổi lấy việc cải sang Hồi giáo và phản bội những người chủ Trung Hoa của họ. Người Karluk, nuôi sẵn ý định thoát khỏi lệ thuộc vào nhà Đường, chớp lấy cơ hội này.

Trong lúc trận đánh đang diễn ra, người Karluk đã mở một khoảng trống trong hàng ngũ của mình, cho phép người Ả Rập xâm nhập vào, giúp họ bao vây và tiêu diệt một phần quân Đường. Các xạ thủ bắn cung Karluk đã bao vây đoàn hậu quân chở quân lương quân Đường.

Quân Đường bắt đầu bỏ chạy khiến trung quân tan rã, nhanh chóng bị các đợt tấn công của kỵ binh nặng Ả Rập phá vỡ. Ở phia sau, quân Karluk cướp bóc tất cả những gì có thể và rút về thảo nguyên.

Chỉ huy quân Đường, Cao Tiên Chi nhận ra rằng thất bại là không thể tránh khỏi và đã đem quân rút chạy dưới sự bọc hậu của tướng Lý Tử Nghiệp. Mặc dù thua trận, Lý Tử Nghiệp đã gây nhiều tổn thất cho số quân Ả Rập truy đuổi.