公元1141年4月，西喀喇汗国又与国内的葛逻禄人爆发冲突，可汗马赫穆德又求援于自己的舅父，葛逻禄人派人向耶律大石求援。耶律大石给桑贾尔写信，为葛逻禄说情。
然而桑贾尔并没有接受说情，而是集结十万大军准备攻打西辽。公元1141年9月9日，在撒马尔罕城北边的卡特万草原上，双方大军展开决战。
卡特万之战
耶律大石在此战中以少胜多，击败10万中亚联军。耶律大石乘胜攻入西喀喇汗国都城撒马尔罕，事后西喀喇汗王朝也表示向西辽臣服，接受西辽的监管。之后又出兵花剌子模迫使其臣服。
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。
最后的辉煌
至此西辽疆域在东部与蒙古的克烈部、西夏政权接壤，南面直抵青藏高原北端，北面包括了阿尔泰山与巴尔喀什湖的大片土地，西面则直抵咸海，葛逻禄人、康里人与花剌子模人也相继归附西辽。领土和当年辽国全盛时期不相上下。
西辽帝国
耶律大石的西征事迹被传到欧洲，正逢第二次十字军东征，于是在欧洲流传着东方世界有一位神秘的祭司王约翰，而耶律大石的名字也成了西辽帝国的代称。
1143年，在位20年的耶律大石终于走到了人生的尽头，他带着对故土的依恋在虎思斡耳朵的宫帐中去世，终年56岁。
耶律大石死后，西辽又延续了75年，直到被蒙古灭国，国祚88年。
耶律大石在自己事业最辉煌的顶点撒手尘寰，用震撼世界的胜利为他的生命画上了圆满的句号，留给后人无限的崇敬和怀想。
正如那首歌中唱的一样：历史的天空闪烁几颗星，人间一股英雄气在驰骋纵横
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