葛邏祿人也派人向菊兒汗耶律大石求援。耶律大石給駐紮在撒馬爾罕的塞爾柱蘇丹桑賈爾寫信，為葛邏祿人說情，請他原諒他們。然而桑賈爾不但沒有接受說情，反而寫信叫耶律大石接受伊斯蘭教，否則就要用武力解決。據伊木·阿西爾記載，桑賈爾這樣陶醉於自己軍隊的實力：他在描述他的軍隊能用各種武器戰鬥之後說，“須知他們用自己的箭截斷須發”。這樣高傲的態度，連宰相都認為過於自大。但蘇丹桑賈爾不聽勸告，還是把信送了出去。當耶律大石聽使臣讀完信後，下令拔下他一縷胡須，給他一支針，讓他截斷自己的一根胡須，使臣自然沒有完成。於是耶律大石說：“如果你不能用針截斷胡須，那麼什麼人能用箭截斷胡須呢？”
桑賈爾北渡阿姆河。耶律大石則帶領契丹人、突厥（包括葛邏祿）人和漢人組成的西遼部隊，進軍撒馬爾罕。1141年9月9日，兩軍在撒馬爾罕北麵的卡特萬草原相遇，相距二裏許。
卡特萬一戰是西遼定國之最關鍵一戰。這場戰鬥雖然史料記載甚少，但戰鬥過程絕對精彩，是一個以少勝多的經典戰例。
戰爭的過程大致是這樣的：戰鬥爆發前，桑賈爾將自己的部隊分為左右中三路，自己親自率領中軍，其衛隊及後勤輜重壓後，西吉斯坦國王指揮左翼，右翼由桑賈爾的宰相指揮。麵對強敵，耶律大石仔細觀察了對手的布陣情況後，也將自己的部隊分為三路，兩翼各有2500名西遼精兵。
戰場地形是一個依山的草原，西遼軍隊的背後是山脈，有一道長長的峽穀。耶律大石充分利用了這道峽穀，將自己的中軍布置在峽穀的前方。戰鬥開始後，雙方的中軍出現僵持。桑賈爾的左翼西吉斯坦國王指揮的部隊插入西遼軍隊中軍與側翼之間。耶律大石的中軍和自己的左翼被迫向左移動，這樣西遼軍隊的陣營就出現了一個缺口。
桑賈爾的部隊對準缺口猛攻，似乎突破了西遼人的陣營。但這個勝利是短暫的，因為被分割開的西遼軍隊右翼2500名騎兵已經迂回到桑賈爾空虛的左翼，西遼左翼的騎兵則迂回到桑賈爾的後方去攻擊其後衛，而耶律大石帶領的西遼主力被擠壓向左回旋時，恰好攻擊了桑賈爾陣營的右翼。這樣戰場上就出現了西遼正麵洞開，而桑賈爾三麵受敵的格局。
桑賈爾的部隊在戰鬥中受到壓迫，隻能向前繼續挺進。前方正是耶律大石看中的那條峽穀。在桑賈爾的部隊被擠壓進峽穀時，這時候沒有資料記載有沒有部隊在峽穀的盡頭堵住了他們，也沒有提及耶律大石是如何消滅被擠壓進峽穀的對手的。總之，最後桑賈爾的部隊有數萬人在這條小峽穀內被殺，西吉斯坦國王、桑賈爾的宰相和妻子被俘。桑賈爾帶著殘兵僥幸奪路而逃。
此戰後，桑賈爾一蹶不振，幾年後被叛軍囚禁，曾經縱橫中亞的塞爾柱王國就此消亡。耶律大石成功地征服了西哈喇汗王朝，達到了他事業的頂峰。
卡特萬會戰，在中亞史上是一次著名的戰役。偉大的穆斯林史學家伊本·阿西爾說：“在伊斯蘭教中沒有比這更大的會戰，在呼羅珊也沒有比這更多的死亡。”可見其在西方的影響。當時在中東，正是十字軍東征時期，卡特萬戰役後，在中東盛傳東方一位信奉基督的約翰王打敗了哈裏發。這位傳說中的約翰王，目前西方史學者都認為應當是指喀喇契丹人中的菊兒汗，也就是西遼的耶律大石。
耶律大石乘勝接著出兵塞爾柱王朝的另一個附庸國花剌子模。西遼軍隊在那裏屠殺人民，洗劫村落，迫使花剌子模沙赫阿此茲派出使臣，表示願效忠菊兒汗並交納年貢三萬金狄納爾及其他貢品（《世界征服者史》）。按照這些條件締結和約後，西遼軍隊撤軍。這大概就是《遼史》記載的“回回國王來降，貢方物”。
不過，征服花剌子模已經是耶律大石最後的絕唱了。1143年，西遼康國十年，戎馬一生的耶律大石終於走到了人生的盡頭，在八剌沙袞的宮帳中去世，終年56歲。