西辽军队中的葛逻禄人发挥了重要的作用，迫使桑贾尔的联军败逃。桑贾尔和马赫穆德逃奔至泰尔梅兹，桑贾尔的妻子、左、右翼统帅和伊斯兰法学家胡萨姆·奥玛尔·伊本·阿布杜·阿齐兹·伊本·马扎·布哈里均被俘虏。桑贾尔的联军损失惨重，仅达尔加姆峡谷就装下1万名死者。《辽史》记载塞尔柱帝国联军的阵亡者横尸数十里。卡特万之战后，塞尔柱帝国的势力退出河中地区，西辽成为中亚霸主。耶律大石随后率军进入撒马尔罕，立马赫穆德之弟伊卜拉欣·伊本·穆海默德为桃花石汗，继续让其统治西喀喇汗国。 他还下令处死布哈拉的伊斯兰教教长胡沙穆丁·倭玛