收复粟特城后，李元霸即刻率领大军，朝着白水城进发。白水城的联军守军得知粟特城失守，粮草断绝，早已无心抵抗，唐军一到，便纷纷放下武器投降，白水城顺利收复。李元霸让人留下部分士兵驻守两城，安抚百姓，修复城池，自己则率领主力大军，朝着怛罗斯城疾驰而去。
此时，阿史那骨咄率领的步兵已在黑山峡谷设伏完毕。屈底波为了获取粮草，派一万联军士兵，朝着黑山峡谷方向行进，想要寻找周边的部族掠夺粮草，这支部队正是由处木昆部族首领俟斤率领。
俟斤率领大军进入黑山峡谷，峡谷两侧山势陡峭，草木稀疏，他心中虽有疑虑，却仗着人多势众，并未在意。行至峡谷中段，阿史那骨咄一声令下，两侧山崖上的唐军士兵纷纷推下巨石，投掷火油，箭矢如雨般射向联军士兵。联军士兵猝不及防，纷纷倒地，惨叫声、哀嚎声此起彼伏，阵型大乱。
阿史那骨咄率领步兵冲杀而下，与联军士兵展开激战。处木昆部族的士兵本就无心作战，见状纷纷溃散，俟斤想要率军突围，却被唐军士兵团团围住，最终被生擒活捉。此战，唐军斩杀联军三千余人，俘虏五千余人，仅有少数人侥幸逃脱，联军的右翼兵力遭受重创。
李元霸率领主力大军抵达怛罗斯城外围时，得知阿史那骨咄已重创联军右翼，心中大喜，即刻下令各路兵马汇合，发起总攻。苏禄率领怛罗斯城守军从城内杀出，阿史那骨咄率领步兵从东侧冲杀而来，阿史那阙啜率领西突厥铁骑从后侧包抄，李元霸率领主力铁骑从正面进攻，四路大军合围，朝着联军大营冲杀而去。
联军士兵腹背受敌，粮草断绝，军心涣散，面对唐军的猛攻，根本无力抵抗，纷纷溃散逃窜。屈底波骑着战马，手持长刀，想要率军突围，却被李元霸拦住。“屈底波，束手就擒吧！”李元霸手持鎏金锤，眼神冷冽，语气决绝。
屈底波冷笑一声：“大唐将领，也敢口出狂言！今日便让你尝尝大食铁骑的厉害！”说罢，策马朝着李元霸冲来，长刀劈砍而下。李元霸挥起鎏金锤，挡住长刀，金锤与长刀碰撞，火花四溅，屈底波被震得虎口开裂，后退数步，心中大惊——李元霸的神力，竟如此惊人！
两人激战数十回合，屈底波渐渐体力不支，刀法散乱，李元霸瞅准破绽，一锤砸在他的战马腿上，战马轰然倒地，屈底波摔落马下，被唐军士兵生擒活捉。
达延芒波杰得知屈底波被擒，联军大败，吓得魂飞魄散，想要率领吐蕃残党逃窜，却被苏禄率领的突骑施骑射拦住。苏禄一箭射中达延芒波杰的臂膀，达延芒波杰摔落马下，被士兵们擒获。剩余的联军士兵见主将悉数被擒，纷纷放下武器，跪地投降。
怛罗斯城之围彻底解除，丝路西段的危机得以化解。此战，唐军共斩杀联军一万余人，俘虏三万余人，擒获屈底波、达延芒波杰、俟斤等主将，解救被掳百姓与商队两千余人，缴获大量粮草、兵器与劫掠的货物。
李元霸下令，将屈底波、达延芒波杰、俟斤斩首示众，以儆效尤，警示中亚诸国与西域部族，勿敢再勾结外敌，犯我大唐疆土；被俘的处木昆部族士兵，愿意归顺大唐的，编入安西军，不愿归顺的，由其部族长老带回，严加管教；缴获的货物归还给受损的商队，粮草则运往怛罗斯城、粟特城、白水城，补充军需，救济受灾百姓。
大军进入怛罗斯城时，城内百姓纷纷出城迎接，捧着热粥、馒头，送到士兵们手中，商户们也拿出自家的货物，犒劳将士们。怛罗斯城守将握着李元霸的手，激动道：“将军，若非你率军及时驰援，怛罗斯城早已沦陷，百姓们也会遭殃，将军的大恩大德，我等永世不忘！”
李元霸温声道：“守护大唐疆土，安抚西域百姓，乃我分内之事，不必多言。”他让人修复被烧毁的房屋与驿站，加固怛罗斯城的城防，安排士兵在丝路西段巡逻，保护过往商队的安全，同时派人前往处木昆部族，召集部族长老，重新制定部族规约，安抚部族百姓，化解部族与大唐的矛盾。
处理完怛罗斯城的事宜，李元霸率领大军返回碎叶城。途中，接到西域都护府的消息，朝廷得知西陲大捷，龙颜大悦，下旨嘉奖李元霸与众将，赏赐黄金千两、绸缎千匹，同时加封李元霸为安西大都护，全权负责西域军政要务，还特意提及，若李元霸思念家人，可派人接家人前往碎叶城团聚，无需急于回京。
李元霸收到圣旨，心中满是感激，陛下的信任与体谅，让他更加坚定了守护西陲的决心。返回碎叶城后，他即刻上书朝廷，谢主隆恩，同时请求朝廷派遣官吏前往粟特城、白水城，协助治理城池，安抚百姓，推广大唐的农耕技术与文化，促进西域与大唐的融合。
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