双方大军如同两道湍急的巨流般在萨末犍以北的卡特万相撞 。 大石所部较少 ， 部下看到敌军有十万之众 ， 武器精良 ， 全都面有惧色 。 大石亲自察看了地形后训话说：“敌军虽多 ， 但勇而无谋 ， 只要找准一点进攻 ， 他们首尾不能兼顾 ， 一定会败退的 。 ”于是在地势险要的达尔加姆峡谷布阵 ， 派六院司大王萧斡里剌、招讨副使耶律松山等领兵2500人攻打联军右翼 ， 枢密副使萧查剌阿不、招讨使耶律术薛等领兵2500人攻敌左翼 ， 大石本人则攻击敌军中军 。

中亚联军的右翼是名将库马吉 ， 左翼是西吉斯坦国王 ， 中军由桑贾尔亲率 ， 有经验的老兵殿后 。 战斗在1141年九月九日正式展开 ， 大石的军队越战越勇 ， 尤其刚归附的葛逻禄人发挥了重要作用 ， 首先破敌中军 ， 逼使桑贾尔驳马逃走 。 主帅一走 ， 联军立刻崩溃 ， 大石于后追击 ， 杀敌三万人 ， 伏尸数十里 ， 桑贾尔的妻子、左右翼指挥官 ， 以及著名的伊斯兰法学家胡萨德·奥马尔等全部被俘 。

卡特万之战是对中亚历史有重要影响的一场战争 ， 它使西辽帝国和塞尔柱帝国对中亚地区的政治影响和相互关系发生了根本性的改变 。 时人都说卡特万之战 ， “在伊斯兰教中没有比这更大的会战 ， 在呼罗珊也没有比这更多的死亡” 。 战后 ， 塞尔柱王朝势力退出河中地区 ， 迅速衰弱 。 大石征服了西哈剌汗和花剌子模 ， 定都虎思斡耳朵（今吉尔吉斯斯坦托克马克） ， 建立起一个疆域超过已经灭亡的辽朝和正在兴盛的金朝的庞大帝国 ， 中亚史上称为哈剌契丹 ， 中国史上叫做西辽 。

耶律大石的西征事迹 ， 包括卡特万之战被传到欧洲 ， 正逢第二次十字军东征 ， 由于第二次十字军东征中战绩低迷 ， 埃德萨伯国依旧没有收回 ， 所以在欧洲流传着东方世界有一位神秘的祭司王约翰 ， 是基督教的捍卫者 ， 甚至有狂热的基督教徒因此劝说教皇发动第三次十字军东征 ， 与祭司王约翰东西夹击伊斯兰教徒 ， 俄语、阿拉伯语、拉丁语中中国的发音类似于“契丹” ， 都是受耶律大石西征的影响 。 而耶律大石的名字也成了西辽帝国的代称 ， 在耶律大石死后 ， 金、西夏、南宋等国家对西辽的后代君主皆称为“大石” 。