1141年9月9日會戰。桑賈爾軍雖先聲奪人，取得了一些勝利，但西遼軍隊越戰越猛，桑賈爾的妻子、兩翼指揮官及著名伊斯蘭法學家胡薩德•奧瑪爾被俘，桑賈爾僥幸逃脫。桑賈爾軍隊傷亡慘重，死亡總數達三萬人。耶律大石以少勝多，獲得大勝并占領了西喀喇汗都城撒馬爾罕。
塞爾柱王朝蘇丹桑賈爾帶著喀喇汗王朝馬赫穆德汗，倉皇逃奔忒耳迷（今烏茲別克斯坦的捷爾梅茲），渡過阿姆河，進入呼羅珊，從此塞爾柱王朝退出河中地區。耶律大石領兵進入撒馬爾罕。耶律大石讓西部喀喇汗王朝繼續統治河中地區，并封馬赫穆德汗的弟弟伊卜拉欣為桃花石汗，留下一名沙黑納，監督其統治。耶律大石把西部喀喇汗王朝變為自己的附庸之后，便派大將額兒布思進軍花刺子模國。額兒布思進入花刺子模后，大肆屠殺平民，洗劫村落，迫使花刺子模的沙阿即思投降。阿即思向他表示愿效忠菊兒汗和交納年貢三萬金狄納爾及其他貢品。締結條約后，額兒布思從花刺子模撤軍。
1141年卡特萬會戰后，西部喀喇汗王朝和花刺子模國進入西遼的版圖，西遼的疆域至此穩定下來。西遼疆域分為王朝的直轄領地和附庸國、部的地面兩部分。直轄領地為以巴拉沙袞為中心的錫爾河上游、伊塞克湖周圍地區，其附庸國有高昌回鶻王國、東喀喇汗王朝、西喀喇汗王朝、花刺子模國；附庸部族主要有乃蠻部、康里部、葛邏祿部。
耶律大石于康國十年（1143年）去世，在位二十年，廟號德宗。他的去世代表著西遼由對外擴張的時期轉變為加強對內統治的時期。
西遼王朝建立后，由于深受漢文化和中原政權典章制度的影響，雖然僻處西域，耶律大石依然仿照遼國舊制，上尊號為“天佑皇帝”，并改元為“延慶”，冊立皇妃蕭氏為“昭德皇后”；同時規定王朝官方語言為漢語。作為附屬國的喀什噶爾東部喀喇汗朝無也深受影響。由于西遼統治者對伊斯蘭教的寬容伏待政策，喀什噶爾在西遼統治期間，在經濟、文化方面也有相當的發展。據12世紀末期阿拉伯史學家依賓•艾爾阿梯爾記載，西遼在征服喀什噶爾后，并不干涉當地的治理，僅征收當地百姓每戶每年一個迪納爾的金幣，各地首領只要在衣帶上系一個西遼頒發的銀制腰牌，就算西遼政權派駐當地的官吏了。
1143年耶律大石去世，兒子耶律夷列年幼，依據遼朝的傳統，“遺命皇后權國”。皇后蕭塔不煙攝政。她不僅“稱制”，而且改元“咸清”，號稱 “感天皇后”。她本人也有相當統治能力，統治期間，社會安定，經濟繼續發展。
1144年回鶻遣使向金朝進貢，說耶律大石已死。金朝加粘割韓奴武義將軍銜，出使西遼。1146年粘割韓奴經由高昌回鶻王國到達西遼直轄領地，正值感天后蕭塔不煙到野外，粘割韓奴對感天后十分無禮，結果被感天后殺死。
感天后“權國”七年后，于1150年把政權交給兒子耶律夷列。夷列即位后，改元“紹興”。紹興元年（1151年）西遼進行人口普查，“籍民十八歲以上，得戶八萬四千五百戶。”這充分表明了西遼的強盛。后來，西遼還令東部喀喇汗王朝出兵支援西部喀喇汗王朝平定葛邏祿首領的叛亂。
耶律夷列在位十三年，于1163年去世，廟號仁宗，兒子都年幼，“遺詔以妹普速完權國”。耶律普速完也“稱制，改元崇福，號承天太后”。
西遼王朝發現隨身攜帶武器的葛邏祿人始終是河中地區不安定的因素，決定給予徹底解決。1164年菊兒汗耶律普速完命令西部喀喇汗王朝把布哈拉和撒馬爾罕兩地區的葛邏祿人遷往東部喀喇汗王朝領地喀什噶爾，他們到那里后不準再攜帶武器，從事農業或其他勞動。西部喀喇汗王朝執行命令，逼迫葛邏祿人遷徙，結果引起暴動，但很快被殘酷地鎮壓下去。從此，葛邏祿人在河中地區的勢力衰落。
西遼與西部喀喇汗王朝聯合討伐花刺子模。花刺子模戰敗，不久沙伊勒—阿爾斯蘭死去，幼子蘇丹沙繼位，其兄特克什投奔西遼。特克什向西遼王朝保證每年進貢，菊兒汗耶律普速完命駙馬蕭朵魯不率大軍護特克什回國，蘇丹沙及其母圖爾罕逃走。特克什干1172年登上花刺子模沙的寶座，西遼王朝因此加強了對花刺子模的控制。但是在耶律普速完統治時期西遼王朝對東北部的控制減弱，1175年粘拔恩部和康里部有三萬戶歸附金朝。
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