撒马尔罕以北的卡特万草原对峙，西辽的军队中有契丹人、突厥人、汉人和蒙古人。耶律大石观察了战场的地形后，让军队背靠达尔加姆峡谷安营。两军于1141年9月9日展开会战，战前耶律大石指出桑贾尔的联军人多少谋，如果全力进攻他们就会首尾不顾。耶律大石派六院司大王萧斡里剌、招讨副使耶律松山等率兵2500攻打联军右翼，枢密副使萧剌阿不、招讨使耶律术薛等率兵2500攻打其左翼，耶律大石亲率部队攻打中军；桑贾尔的联军右翼是埃米尔库马吉，左翼是锡斯坦国王，他自己亲率中军，有战斗经验的老兵负责殿后。
过程