公元1141年9月9日，西辽军队同以塞尔柱帝国为首的西域联军在撒马尔罕以北的卡特万草原展开会战，西辽耶律大石在此战中以少胜多，击败10万联军，伊斯兰教第一次屈服于一个不信教的政权。卡特万战役后，塞尔柱帝国的势力退出河中地区，西辽成为中亚霸主。
12世纪的塞尔柱帝国，已经从占据的世界中心位置跌落。随着扩张达到极限，各种内部问题也迅速爆发出来。不仅有苏丹诸子后裔的分庭抗礼，还有地方军阀的拥兵自重。至于跟外围的藩属，也随着宗主衰败而进一步走向没落。在这个关键时刻，卡特万战役突然爆发，敲响了塞尔柱中亚霸权的丧钟。
早在卡特万战役爆发前，塞尔柱人已经因一系列军事灾难而蒙受耻辱。不仅在进攻巴格达的晚期阿巴斯王朝时受挫，也因十字军东征的开始而丢失了不少西部领土。哪怕是在相对偏远的格鲁吉亚山区，也因当地人的强烈反抗而遭至惨败。唯有在其龙兴之地的中亚，形式似乎依然一片大好。
在帝国的极盛时期，原本雄踞河中与西域两头的喀喇汗国也成为其藩属。虽然后者已经因地理隔绝而分裂为东西两个分支，但位于葱岭以西的部分始终在塞尔柱突厥的压制之下。唯有更远的东喀喇汗国，依靠北方草原部族的支持而保有自主权。他们也和东方的辽帝国关系友好，并为中亚世界带来了意义深远的耶律大石。
公元1132年，东喀喇汗国的阿赫马德汗逝世，其子易卜拉欣二世同治下的葛逻禄和康里人发生冲突。由于新任大汗的不得人心，所以在情急之下出了昏招，请求常驻蒙古高原的契丹残部帮助其平息叛乱。结果在耶律大石的招抚下，始终抵触伊斯兰化的葛逻禄与康里人都转换阵营，使得西辽的军事力量迅速骤增了。耶律大石也趁机顺势而为，兵不血刃就占领了位于今日吉尔吉斯南部的八剌沙衮。
虽然契丹人没有直接进城，但还是把八剌沙衮改名为虎思斡耳朵，作为自己的大汗王庭。结果，原本还能维持的东喀喇汗国，一下子成了西辽帝国的附庸。东喀喇汗国的迅速衰败，很大程度上是由于自身的结构性缺陷。来自河中的伊斯兰化回鹘人，始终占据高层而不断推行自己的宗教。但作为重要军事支柱的草原部落却不受其影响，甚至始终带有强烈的抵触情绪。他们更多信仰佛教、摩尼教、东方基督教或原始的巫术萨满，也对崇佛的契丹人抱有期待。因此，耶律大石的西征之路，其实暗含有中亚地区的宗教战争意味。
公元1137年，耶律大石又率军进入费尔干纳盆地，算是掀起了反伊斯兰化突厥的大规模战争。结果，当西喀喇汗国出兵到塔吉克境内的忽毡对峙时，位于后方的花刺子模人又趁机下手。他们攻破了汗国都城布哈拉，处死了总督阿里，逼的可汗马赫穆德逃回撒马尔罕。后者也将战争失败的责任推卸给境内的葛逻禄部族，强迫他们集体离开河中，进而将更多力量推到了对手那边。
这次失败也让马赫穆德无比惊恐，转而向自己的舅父，也就是塞尔柱帝国的苏丹阿哈马德-桑贾尔求援。但彼时的塞尔柱与花刺子模同样矛盾不断。由于桑贾尔杀死了花剌子模沙阿的儿子，让怀恨在心的后者派使西辽，结成共同反对中亚霸主的联盟。
公元1141年4月，西喀喇汗国又与境内的葛逻禄部族爆发冲突，可汗马赫穆德再次求援于塞尔柱帝国的桑贾尔苏丹。此时，西辽问题终于引起了塞尔柱方面的不满。桑贾尔便以圣战之名，动员四方的部队参与东征。此举也得到了锡斯坦、古尔、加兹尼、马赞德兰等呼罗珊地方领主的响应。虽然远在摩苏尔、叙利亚和安纳托利亚的军阀无意参与，但还是有近10万人陆续加入了塞尔柱帝国大军。
这年7月，桑贾尔率领联军渡过阿姆河，向依然盘踞在河中地区向葛逻禄人发动进攻。面对强大的塞尔柱部队，葛逻禄人根本无力阻挡，只能联系上已经控制东喀喇汗国的耶律大石。后者虽然不太愿意过度介入，却也不得不考虑当地的特殊国情。因为中亚地区的君主，大都不是定于一统的绝对权威。其势力与合法性，在很大程度上都仰仗地方领主的支持。当麾下的大部分人都带有浓烈的反塞尔柱情绪，自己也就不可能轻描淡写的置身事外。
于是耶律大石写信给桑贾尔苏丹，提出调停建议并专门为葛逻禄求情。然而桑贾尔却出于己方领主们的伊斯兰情节，在拒绝妥协的同时，还回信命令耶律大石加立刻改宗。他的宰相穆勒克倒是不赞同对耶律大石过度挑衅，但苏丹没有听从他的意见，仍然寄出火药味十足的言语。结果，使者在虎思斡耳朵被当场处死，两个强权之间的战争也就不可避免。
1141年9月9日，塞尔柱与西辽军队在撒马尔罕北部的卡特万遭遇。那里是一片靠近山地的草原。耶律大石在观察了战场地形后，命令军队背靠达尔加姆峡谷驻扎，以复杂地形掩护自己的后路。这也对后来的战局发展，有着非常重要的作用。此时的西辽军队，并没有多少从东方逃难而来的契丹士兵。耶律大石在草原的可敦城时期，就已经在靠当地的蒙古和突厥作战。
至于因各种原因赶来投奔的契丹旧部和燕云汉儿，始终只是西辽皇帝周围的护卫力量。但因为耶律大石已成为东喀喇汗国的宗主，也就获得了大量回鹘和中亚突厥的支持。由他们提供的步骑兵力量，是日后西辽参与中亚争霸的真正主力。尽管彼此间因宗教问题和利益分配而矛盾重重，但都对耶律大石的相对宽容政策有好感。因此，尽管耶侓大石本人的中军部队不过20000多人，但总兵力依然维持在70000人以上。
另一方面，桑加尔的塞尔柱军队也存在很多隐患。不仅是因为塞尔柱集团分散后的天然矛盾，还有许多地方附庸的忠诚度也并没有表面上那么强烈。对于伊朗高原各地的波斯人来说，塞尔柱突厥是实力强大的保护者，但不是唯一选择。至于像加兹尼王朝这样的前任霸主，更是因自身实力不足而屈居人下。他们的都在不同程度上对桑加尔的宫廷怀有不臣之心，不可能为其消耗自己的立足资本。所以，一旦战事出现问题，所有人首先考虑的就是如何保存自我。
按照习惯，桑贾尔把塞尔柱联军分为左中右三路。左翼由锡斯坦国王指挥，右翼则由桑扎儿手下大将埃米尔-库吉马率领，自己则亲自坐镇中军，并将那些富有战斗经验的老兵放在预备队位置殿后。耶律大石也针锋相对的将全军分为三股，自己亲率中军对阵桑贾尔本人。六院司大王萧斡里剌指挥2500多人担任右军主力，同枢密副使萧查剌阿不的另外2500多左军互为犄角。两位大将的麾下，还有众多回鹘、蒙古和葛逻禄等群体的辅助部队。
战斗伊始，双方的中军就出现了僵持局面。双方都以弓骑兵进行试探性进攻，再出动精锐的具状骑兵执行冲锋。无论是桑加尔宫廷的古拉姆奴隶军团，还是耶律大王麾下的辽国铁骑，都在厮杀中旗鼓相当。因此，双方的胜负还将由侧翼的更多部队来决定。
首先发力的还是塞尔柱军队。锡斯坦王指挥的左翼，暂时逼退了西辽阵营的草原骑兵，然后猛然插入了对方中军与右翼之间的空隙。这导致西辽军队的阵线被打开了一个巨大缺口。桑贾尔趁机让古拉姆重骑兵突人缺口，试图以强大的侧翼突袭压迫耶律大石的主力。但也因为这个大幅度的机动，让他们自己的阵型出现散乱，给了西辽人以巨大机遇。
危急时刻，西辽右翼的萧斡里剌也是临危不乱。他重组了兵临溃散的部队，并找准机用2500名骑兵迂回到对方的空虚左翼。部下萧查剌阿不也率领左军的骑兵迂回到桑贾尔的后方，直接牵制其后卫无法增援前方的战斗。于是在两军之间，很快由泾渭分明的阵线，演变为犬牙交错的混战。
耶律大石在中军被塞尔柱人挤压的同时，也在向自己的左侧回旋，寻找新的突破口进行还击。契丹人很快就从另一头发起反扑，从而遏制了古拉姆奴隶军团的凌厉攻势。桑贾尔本人因此受到三面夹击，但依靠素质过硬的奴隶武士帮助，依然在残酷的近身厮杀中死战不退。由于对方的身后就是山谷，塞尔柱人根本无法以骑兵进行机动迂回，便只能更加努力的从正面寻求突破。最终，靠着中亚铁骑的训练、装备和马匹优势，逐步将耶律大石的中军碾压后撤。若非西辽人一直不间断的发起侧翼骚扰，可能已经因重压而全线崩溃。
然而，由于更多西辽军队将桑贾尔的中军与两翼分割，所以在更大范围内都保持着围攻态势。杀红眼的古拉姆骑兵，在不知不觉中也进入了达尔加姆峡谷，并被不断前来增援大石的辽军封锁了出路。早就埋伏在山谷内的葛逻禄骑兵，立刻从两翼杀出，从而彻底葬送了塞尔柱人的获胜希望。那些依然在山谷外交战的地方军力量，也因看到宗主遭遇不测，纷纷选择转头撤离。于是，桑贾尔就只能靠自己的精锐帮忙突围，在经历了惨重的损失后才得以突围出去。但他的险象环生，已无法改变全军战败的事实。
在持续追击过程中，西辽军队杀死近50000名塞尔柱战士。除了贵族出生的军官，还有众多有生力量和随军教士。桑贾尔本人的妻子、左右两翼统帅和伊斯兰法学家布哈里都沦为俘虏。苏丹本人则带着残败兵逃至泰尔梅兹，稍后又马不停蹄的去往阿富汗的巴尔赫避难。
由于卡特万战役的失败，塞尔柱势力完全退出了河中地区。其在中亚努力维系的霸权，也因此受到重创。不仅北方的花剌子模人开始进一步蚕食地盘，南方的哈里发和加兹尼残部也纷纷获得生机。至于那些早已各自为政的西部军阀，也完全摒弃了塞尔柱中央。
耶律大石的西辽帝国，则开始成为真正的中亚霸主。包括西喀喇汗国和花剌子模等地方势力，纷纷成为他的藩属。这样的局面将维持近一个世纪。虽然西辽宫廷并不迫害伊斯兰教，但其本身的崇佛熟悉与平衡策略，也进而支持了西域佛教的存续，并促成聂斯托利派基督教的复兴。
在西方世界，关于卡特万战役的消息也陆续传到圣地的十字军国家。于是，关于东方约翰王的传言又再度流行起来。这在一定程度上加强了欧洲社会对十字军事业的热忱，也将在日后促成法王和罗马教廷的使者东游。但已大获成功的契丹人不会料到，自己其实深入了一个复杂程度远超想象的世界。作为绝对的少数派，他们在中亚扮演着中间人、仲裁者和国际警察的角色。这些不可推卸的责任，终将使得帝国资源被过度消耗，并最终导致自身霸业的颠覆。那些在卡特万战役中帮助自己的盟友，也会在后来成为毁灭自己的真正元凶。
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