桑贾尔亲率十万大军，向耶律大石发动了猛烈的进攻，耶律大石率众迎战。但是根据史书记载，大石军仅仅两三万人，那么处于劣势的耶律大石是如何以少胜多，打败桑贾尔十万大军的呢？

决战在撒马儿罕城以北的卡特万草原展开，这个地方位于今天的乌兹别克斯坦境内。敌军十万，大石军只有两三万，在人数上处于绝对的劣势。大石在阵前发表了一个慷慨激昂的演说，告诉他的战士们，不要怕，跟着我——你们的菊儿汗，取得无上的荣光。“彼军虽多而无谋，攻之则首尾不救，我师必胜。”（《辽史天祚皇帝本纪四》）敌军人数虽多，但是有勇无谋。穆斯林联军是由很多个国家、部落、部族的部队集合在一起组成的，事先没有统一的演习，这六个月光检阅了没搞演习，可能十万大军之间连言语都不通，只有共同的信仰。

耶律大石把部队分成了三支，自己亲率中军，西辽第一名将六院司大王萧斡里剌指挥右军两千五百精兵，枢密副使萧查剌阿不指挥二千五百精兵位于左翼。穆斯林联军是由赛尔柱苏丹桑贾尔自领中军，他的宰相领左军，一个附属国的国王领右军。

当时的战场形势是，大石的中军对阵联军的中军，大石的右军对阵联军的左军，大石的左军对阵联军的右军。大石选中的卡特万是一片依山的缓坡，山中间还有一道峡谷，大石充分利用了这道峡谷，把自己的中军布置在峡谷前面，左右两军分列两边，背靠着峡谷作战。

战斗一打响，联军的左军猛攻大石军的右翼，而双方的中军陷入了僵持。这样一来，大石军的右翼跟中军、左军之间就拉开了一个缺口，联军的左军就插入到大石军的右军和中军、左军之间，这个缺口越拉越大，联军的左中右三军都逐渐填进了这个缺口当中，而大石的中军和左军就向联军的右翼迂回。这么一通迂回的结果，变成了大石军的右翼进攻联军的左翼，大石军的左翼迂回到联军的背后，大石军的中军进攻联军的右翼，这就形成大石军门户顿开，联军三面受敌的局面。而联军正对的就是那条峡谷，大石军三面兜底，发动猛烈的进攻，前面是峡谷，联军无路可走，只能入谷，峡谷很窄，几万人马一进去，掉头不便，任由大石军砍瓜切菜一般地宰杀。一仗下来，联军伏尸数万，桑贾尔本人受伤，宰相被俘，桑贾尔狼狈地逃离战场。

赛尔柱帝国经此一战，一蹶不振，若干年后，就被自己的附庸花剌子模彻底摧毁了，赛尔柱突厥的势力就退出了河中地区，这一大片新兴的领土就成了大石一个人跃马横枪的舞台。