王思礼见吐蕃伏兵于此，暗道了一声好险。便命王衡率前锋军利用山谷前比较窄的特点列阵阻击吐蕃军，他则命令唐军后军变前军迅向后方退去。吐蕃军在山谷前施展不开兵力，只有由得唐军在远处结好了阵势，在接应了前锋军与吐蕃军脱离开后，王思礼不待吐蕃军结好阵形，便率军向集结中的吐蕃军起了攻击。
尚拉朗本来是想先用埋伏在山丘上的步卒先与唐军交战的,待击破唐军后用骑兵进行追击的，但此时已不容他考虑过多了，如被唐骑兵突进尚未完成结阵的步兵当中，一旦被唐军击破无异就是一场屠杀，无奈下便把吐蕃骑兵顶了出去，两军的骑兵在短暂的冲刺后便狠狠地撞在了一起。
与王思礼把重点放在中间不同，尚拉郎三路军平均分配，这样就形成一种局面：在中路，是数量与吐蕃军相当的唐军占有优势，而在两翼，则是占有人数优势的吐蕃军堪堪与唐军战成了均势。现在处于一种胶着状态，两军的胜负，就看是唐军的骑兵在吐蕃的步卒完成集结以前击败吐蕃骑兵了。
王思礼深知此一点，他大手一挥，中军的属于临洮军的一千重骑兵便对中路军奔袭而去。准备在本来就占有优势的中路打开缺口，以击溃吐蕃军。这一千重骑兵配有马槊，士兵和马都身披重甲，是王思礼临洮军的王牌。到了这个时候，王思礼便把这张王牌打了出来。
中路军本来就是唐军占有优势，此时加上重骑兵的一冲，马上便击破了吐蕃军中路的防守，把中路军以重骑兵冲锋的一百米为界线分开了两边，吐蕃中路军开始有崩溃的迹象。只要重骑兵能再来一个掉头的冲锋，唐军就能把中路军击破。
在这关键时刻，吐蕃步卒终于完成了集结。最重要的是，原本尚拉郎准备在唐军进入山谷后放在山谷口封住唐军退路的三千兵重步兵也完成集结。在这个时候，尚拉郎果断地把完成了集结的重步兵推了上去。在三千重步兵身后，还有一个刚完成集结的一个二千人的弓箭兵队。
唐军的重骑兵一旦冲锋了起来，就很难停顿了。唐军的一千重骑兵穿透了吐蕃中路军的骑兵阵之后，正想转一个回旋半径反过来进行掉头的冲锋时，吐蕃的三千重步兵已经手持长矛在他们之前结成了长矛阵。重骑兵最怕就是碰上长柔兵加弓箭兵的组合，长柔兵能抵御重骑兵的冲击，而在重骑兵的冲锋停顿下来时，弓箭手就会成为重骑兵们的恶梦。但此时唐军的重骑兵已想不了这么多了，在不能直接掉头的情况，只能加狠狠地撞进了长柔阵里。
唐军的重骑兵虽在付出重大的代价后突破了重步兵的几道防线，但吐蕃重步兵在前面的人被突破后又奋不顾身的堵了上去，而且唐军的重骑兵在此时经过两轮的冲锋也开始有力竭迹象了，在突破了数道重步兵防线后终于被吐蕃军顿住，重骑兵一陷入到重步兵的泥潭里其结果是悲惨的，身披重甲的重骑兵被掀下马后被吐蕃兵围杀，纵使没被掀下马的重骑兵亦被布置在重步兵身后的吐蕃弓兵射杀，很快，身陷重围的唐军重骑兵便伤亡殆尽。
有时候的胜负也就在这一转眼间，王思礼初初见到重骑兵突破了吐蕃中路骑兵的防线后还看见胜利的曙光，但转眼间这希望就破灭了。随着一千重骑兵的全军覆灭，吐蕃的步兵也开始了对唐军的攻击时，王思礼知道败局已定了。趁唐军还没有与吐蕃步兵绞在一起，王思礼果断地吹响了退兵的号角。相对而言，大唐骑兵的战斗力还是远远高于吐蕃军的，因此唐军的左右翼五千人对阵吐蕃骑兵一万也没有落在下风。
唐军在展开一个反冲锋后留下中军的三千人断后，其他各军掉头向北方逃去。尚拉郎虽想挥军追击唐军，但被断后的三千唐军死死缠住，吐蕃骑兵在之前与唐军骑兵的对战中也是死伤惨重，唐军虽被击败但没被击溃，单凭骑兵追击吐蕃军并不占有绝对的优势反而有被唐军伏击的危险，无奈之下尚拉郎便把断后的唐军包围了起来，放弃了追击其余的唐军。
这股断后唐军自知已无活路，拒绝了吐蕃军的劝降，拼死奋战，但无奈寡不敌众，被吐蕃军分割包围成数股后慢慢被吐蕃军所蚕食。到天黑前，日月山前战场上的打斗声终于停顿了下来。在此役中，吐蕃军虽没有完成此前兀论样郭提出的把大唐骑兵尽歼于此的目标，但也收获了一场大胜。唐军在此地共丢下了近八千具尸体，包括断后的三千唐军和临洮军的王牌军一千重骑兵。
……
正在进攻石堡城的哥舒翰在收到李献忠被围的消息后就停止了对石堡城的攻击，迅派兵前往救援。但没等他的援兵到达，便传来了李献忠兵败的消息。当哥舒翰收到李献忠兵败的消息，便赶忙派出快马去通知身在北路的王思礼撤兵，以避免遭到吐蕃主力的围攻，但他还是慢了一步。没过几天，哥舒翰就收到了王思礼在日月山兵败的消息，在接连兵败的消息的打击下，年纪已经不小的哥舒翰终于抵授不住，吐了一口血后晕了过去。在哥舒翰醒来之后的第一句话，便是命令全军撤兵。
至此，牵动了各方无数人的心的青海大战终于落下了帷幕。英勇善战的哥舒翰也在石堡城这块硬骨头面前掉了跟头。在此一役中，唐军伤亡了近五万人，其中包括大唐的精锐－－近三万的骑兵。原来大唐一直在与吐蕃的军事冲突中占着一定的上锋，但经此一役后，由于大唐的机动部队骑兵受到了重挫，而骑兵不是买几匹马招几个兵就能恢复的。因此在此后的几年中，唐军被逼把兵力龟缩于高城厚墙后，在唐蕃边境处于了守势。