1141年9月9日会战。桑贾尔军虽先声夺人，取得了一些胜利，但西辽军队越战越猛，桑贾尔的妻子、两翼指挥官及著名伊斯兰法学家胡萨德•奥玛尔被俘，桑贾尔侥幸逃脱。桑贾尔军队伤亡惨重，死亡总数达三万人。耶律大石以少胜多，获得大胜并占领了西喀喇汗都城撒马尔罕。
塞尔柱王朝苏丹桑贾尔带着喀喇汗王朝马赫穆德汗，仓皇逃奔忒耳迷（今乌兹别克斯坦的捷尔梅兹），渡过阿姆河，进入呼罗珊，从此塞尔柱王朝退出河中地区。耶律大石领兵进入撒马尔罕。耶律大石让西部喀喇汗王朝继续统治河中地区，并封马赫穆德汗的弟弟伊卜拉欣为桃花石汗，留下一名沙黑纳，监督其统治。耶律大石把西部喀喇汗王朝变为自己的附庸之后，便派大将额儿布思进军花刺子模国。额儿布思进入花刺子模后，大肆屠杀平民，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儿汗和交纳年贡三万金狄纳尔及其他贡品。缔结条约后，额儿布思从花刺子模撤军。
1141年卡特万会战后，西部喀喇汗王朝和花刺子模国进入西辽的版图，西辽的疆域至此稳定下来。西辽疆域分为王朝的直辖领地和附庸国、部的地面两部分。直辖领地为以巴拉沙衮为中心的锡尔河上游、伊塞克湖周围地区，其附庸国有高昌回鹘王国、东喀喇汗王朝、西喀喇汗王朝、花刺子模国；附庸部族主要有乃蛮部、康里部、葛逻禄部。
耶律大石于康国十年（1143年）去世，在位二十年，庙号德宗。他的去世代表着西辽由对外扩张的时期转变为加强对内统治的时期。
西辽王朝建立后，由于深受汉文化和中原政权典章制度的影响，虽然僻处西域，耶律大石依然仿照辽国旧制，上尊号为“天佑皇帝”，并改元为“延庆”，册立皇妃萧氏为“昭德皇后”；同时规定王朝官方语言为汉语。作为附属国的喀什噶尔东部喀喇汗朝无也深受影响。由于西辽统治者对伊斯兰教的宽容伏待政策，喀什噶尔在西辽统治期间，在经济、文化方面也有相当的发展。据12世纪末期阿拉伯史学家依宾•艾尔阿梯尔记载，西辽在征服喀什噶尔后，并不干涉当地的治理，仅征收当地百姓每户每年一个迪纳尔的金币，各地首领只要在衣带上系一个西辽颁发的银制腰牌，就算西辽政权派驻当地的官吏了。
1143年耶律大石去世，儿子耶律夷列年幼，依据辽朝的传统，“遗命皇后权国”。皇后萧塔不烟摄政。她不仅“称制”，而且改元“咸清”，号称 “感天皇后”。她本人也有相当统治能力，统治期间，社会安定，经济继续发展。
1144年回鹘遣使向金朝进贡，说耶律大石已死。金朝加粘割韩奴武义将军衔，出使西辽。1146年粘割韩奴经由高昌回鹘王国到达西辽直辖领地，正值感天后萧塔不烟到野外，粘割韩奴对感天后十分无礼，结果被感天后杀死。
感天后“权国”七年后，于1150年把政权交给儿子耶律夷列。夷列即位后，改元“绍兴”。绍兴元年（1151年）西辽进行人口普查，“籍民十八岁以上，得户八万四千五百户。”这充分表明了西辽的强盛。后来，西辽还令东部喀喇汗王朝出兵支援西部喀喇汗王朝平定葛逻禄首领的叛乱。
耶律夷列在位十三年，于1163年去世，庙号仁宗，儿子都年幼，“遗诏以妹普速完权国”。耶律普速完也“称制，改元崇福，号承天太后”。
西辽王朝发现随身携带武器的葛逻禄人始终是河中地区不安定的因素，决定给予彻底解决。1164年菊儿汗耶律普速完命令西部喀喇汗王朝把布哈拉和撒马尔罕两地区的葛逻禄人迁往东部喀喇汗王朝领地喀什噶尔，他们到那里后不准再携带武器，从事农业或其他劳动。西部喀喇汗王朝执行命令，逼迫葛逻禄人迁徙，结果引起暴动，但很快被残酷地镇压下去。从此，葛逻禄人在河中地区的势力衰落。
西辽与西部喀喇汗王朝联合讨伐花刺子模。花刺子模战败，不久沙伊勒—阿尔斯兰死去，幼子苏丹沙继位，其兄特克什投奔西辽。特克什向西辽王朝保证每年进贡，菊儿汗耶律普速完命驸马萧朵鲁不率大军护特克什回国，苏丹沙及其母图尔罕逃走。特克什干1172年登上花刺子模沙的宝座，西辽王朝因此加强了对花刺子模的控制。但是在耶律普速完统治时期西辽王朝对东北部的控制减弱，1175年粘拔恩部和康里部有三万户归附金朝。
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