桑賈爾親率十萬大軍，向耶律大石發動了猛烈的進攻，耶律大石率眾迎戰。但是根據史書記載，大石軍僅僅兩三萬人，那麼處於劣勢的耶律大石是如何以少勝多，打敗桑賈爾十萬大軍的呢？
決戰在撒馬兒罕城以北的卡特萬草原展開，這個地方位於今天的烏茲別克斯坦境內。敵軍十萬，大石軍只有兩三萬，在人數上處於絕對的劣勢。大石在陣前發表了一個慷慨激昂的演說，告訴他的戰士們，不要怕，跟著我——你們的菊兒汗，取得無上的榮光。 “彼軍雖多而無謀，攻之則首尾不救，我師必勝。”（《遼史天祚皇帝本紀四》）敵軍人數雖多，但是有勇無謀。穆斯林聯軍是由很多個國家、部落、部族的部隊集合在一起組成的，事先沒有統一的演習，這六個月光檢閱了沒搞演習，可能十萬大軍之間連言語都不通，只有共同的信仰。
耶律大石把部隊分成了三支，自己親率中軍，西遼第一名將六院司大王蕭斡裡剌指揮右軍兩千五百精兵，樞密副使蕭查剌阿不指揮二千五百精兵位於左翼。穆斯林聯軍是由賽爾柱蘇丹桑賈爾自領中軍，他的宰相領左軍，一個附屬國的國王領右軍。
當時的戰場形勢是，大石的中軍對陣聯軍的中軍，大石的右軍對陣聯軍的左軍，大石的左軍對陣聯軍的右軍。大石選中的卡特萬是一片依山的緩坡，山中間還有一道峽谷，大石充分利用了這道峽谷，把自己的中軍佈置在峽谷前面，左右兩軍分列兩邊，背靠著峽谷作戰。
戰鬥一打響，聯軍的左軍猛攻大石軍的右翼，而雙方的中軍陷入了僵持。這樣一來，大石軍的右翼跟中軍、左軍之間就拉開了一個缺口，聯軍的左軍就插入到大石軍的右軍和中軍、左軍之間，這個缺口越拉越大，聯軍的左中右三軍都逐漸填進了這個缺口當中，而大石的中軍和左軍就向聯軍的右翼迂迴。這麼一通迂迴的結果，變成了大石軍的右翼進攻聯軍的左翼，大石軍的左翼迂迴到聯軍的背後，大石軍的中軍進攻聯軍的右翼，這就形成大石軍門戶頓開，聯軍三面受敵的局面。而聯軍正對的就是那條峽谷，大石軍三面兜底，發動猛烈的進攻，前面是峽谷，聯軍無路可走，只能入谷，峽谷很窄，幾萬人馬一進去，掉頭不便，任由大石軍砍瓜切菜一般地宰殺。一仗下來，聯軍伏尸數万，桑賈爾本人受傷，宰相被俘，桑賈爾狼狽地逃離戰場。
賽爾柱帝國經此一戰，一蹶不振，若干年後，就被自己的附庸花剌子模徹底摧毀了，賽爾柱突厥的勢力就退出了河中地區，這一大片新興的領土就成了大石一個人躍馬橫槍的舞台。