中国史籍关于怛罗斯之战的唐朝动员兵力的人数说法不一，以下所引史料大致时间顺序为序。
我国家开元、天宝之际，西陲青海之戍，东北天门之师，碛西怛逻之战，云南渡泸之役，没于异域数十万人。天宝中哥舒翰克吐蕃青海，青海中有岛，置二万人戍之。旋为吐蕃所攻，翰不能救而全没。安禄山讨奚，契丹于天门岭，十万众尽没。高仙芝伐石国，于怛逻斯川七万众尽没。杨国忠讨蛮阁罗凤，十余万众全没。向无幽寇内侮，天下四征未息，离溃之势岂可量耶？
——杜佑，《通典·卷一百八十五·边防序》
仙芝闻之，将蕃、汉三万众击大食，深入七百馀里，至怛罗斯城，与大食遇。相持五日，葛罗禄部众叛，与大食夹攻唐军，仙芝大败，士卒死亡略尽，所馀才数千人。
——司马光，《资治通鉴·卷二百十六》引唐·《唐历》
马宇《段秀实别传》云：蕃、汉六万众。
——司马光，《资治通鉴考异》引唐·《段秀实别传》
仙芝惧，领兵二万深入胡地，与大食战，仙芝大败。会夜，两军解，仙芝众为大食所杀，存者不过数千。
——刘昫等，《旧唐书·卷一百九·李嗣业传》
仙芝率兵二万深入，为大食所败，残卒数千。
——欧阳修等，《新唐书·卷一百五十一·李嗣业传》
七载，高仙芝代灵察，举兵围怛逻斯，黑衣救至，仙芝大衄，军士相失。
——刘昫等，《旧唐书·卷一百二十八·段秀实传》
灵詧罢，又事高仙芝。仙芝讨大食，围怛逻斯城。会虏救至，仙芝兵却，士相失。
——欧阳修等，《新唐书·卷一百六十六·段秀实传》
《边防序》所载人数《边防序》这段文字中的部分说了四个人打的四次败仗，即哥舒翰（749年）、安禄山（751年）、高仙芝（751年）、杨国忠（751年），这四次败仗的人数记载全部都与正史不符，相去甚远。《新唐书·哥舒翰传》、《资治通鉴》记载哥舒翰于749年置戍青海龙驹岛的人数为2,000，而非《边防序》的20,000，人数相差90%；《旧唐书·安禄山传》、《资治通鉴》记载安禄山于751年讨奚，契丹的人数为60,000，而非《边防序》的100,000，人数相差40%；《旧唐书·玄宗本纪》、《新唐书·杨国忠传》记载杨国忠于751年讨蛮阁罗凤的人数为60,000，《旧唐书·杨国忠传》、《资治通鉴》则记载80,000，而非《边防序》的100,000余，人数相差20-40%。
至于高仙芝的怛罗斯之战，其人数方面在正史则有不同记载。而阿拉伯的记载与杜佑在《边防》序文记载的伤亡人数70,000相吻合，这样的巧合同时出现在古典时代两个远隔的文明的历史记载中，那就不仅是巧合了。不过作为参战人员之一的杜环，并没有透露唐军在这场战役的兵力，其著作《经行记》原本已失传，残文被杜佑收入在《通典》。关于怛罗斯之战，《经行记》的记载很简单：
可见杜环虽作为参战人员之一，对怛罗斯的围城，唐朝的兵力却只字不提，仅仅以七个字“高仙芝军败之地”一笔带过。至于杜佑在《边防》序文所提到的70,000伤亡人数从何得知则无从考证，不过也不排除杜佑是从口述的情况下得知情报，此序文盖是杜佑对天宝末年边防的评论或感叹。
阿拉伯史籍阿拉伯史籍关于怛罗斯战役的仅有两部，有关阿拉伯动员兵力的人数，中、阿典籍中并无记载，有关唐朝兵力在阿拉伯方面的史料方面如下。
阿布·阿拔斯掌权3年后（751年），布哈拉爆发起义，为首的是舒莱克（Sharikh ibn Shaikh）。他率3万名阿拉伯人和其他人对阿布·穆斯林展开报复行动，反抗他的血腥手段和滥杀无辜的行为。阿布·穆斯林前去镇压，派齐亚德·伊本·萨里和阿布·达乌德·哈立德·本·伊卜拉欣·祖赫利为先锋。双方交锋，舒莱克被杀。他再次征服布哈拉（安国）和粟特，并下令构筑撒马尔罕（康国）墙，以期在敌人进攻时成为一道防御。他派遣齐亚德·伊本·萨里继续挺进，后者征服了河外地区的城镇乡村，一直抵达怛逻斯和伊特莱赫。于是中国人出动了，发兵10万余人。塞义德·本·侯梅德在怛逻斯城加强城防，阿布·穆斯林则在撒马尔罕的军营中镇守，大批将领和招募来的兵士聚集在塞义德那里（怛罗斯城）。他们分几次将他们（中国人）各个击败，共杀死4万5千人，俘获2万5千人，其余纷纷败逃。穆斯林们占领了他们的军事要地，进军布哈拉，降服河外地区的国王和首领们，将他们斩首，并虏走他们的子孙，抢去他们的全部财产。他们不止一次将俘虏（当地土著）5万人5万人地渡过河去。阿布·穆斯林决意进攻中国，并为此做好了准备。但接下来发生的一件事使他改变了这一计划，齐亚德·伊本·萨里向他展示了一封无法证实其真实性的、来自阿布·阿拔斯的信，信上说委任他为呼罗珊的总督，阿布·穆斯林开始施展计谋，最终将齐亚德·伊本·萨里杀死，并派人把他的首级送到阿布·阿拔斯那里。
——穆塔海尔·麦格迪西（Al-Mutahhar ibn Tahir al-Maqdisi，卒于966年）或巴勒希（ 850-934年），《肇始与历史》
这一年，拔汗那（费尔干纳）的伊赫希德（Shishpir）与石国（Chach）王反目为仇。伊赫希德向中国国王求救。中国国王派出10万大军驰援，将石国王包围。石国王归顺中国国王，他和手下没有受到他（中国国王）的迫害。消息传到阿布·穆斯林那里，他派齐亚德·伊本·萨里（Ziyad ibn Salih）前去交战。两军大战于但逻斯河。穆斯林们最终战胜了他们，消灭近5万人，俘获约2万人，残部逃回中国。此役发生在133年（751年）12月。
——伊本·艾西尔 （1160-1233年），《历史大全》
唐军兵力来源主要有《通典》、《唐历》、《段秀实别传》、新旧《唐书》、《肇始与历史》和《历史大全》，前三部为唐代时所编纂的典籍，其中《唐历》和《段秀实别传》已失传仅被引用；《唐历》作者为柳芳，756年-759年唐代史官，758年负责国史的编纂，760年因不满于官方史书的内容，开始私下编写《唐历》；《通典》作者为杜佑，803年-812年德、顺、宪三朝宰相（撰写时并非宰相），766年开始撰写，801年成书，在35年收集史料和编辑之时前后历任青苗使、水陆转运使、度支郎中兼等，后以户部侍郎管理国家财政收支；《段秀实别传》作者为马宇，事迹不详，此书的主角段秀实则为高仙芝副将，跟随高仙芝围攻怛罗斯城，见证了唐军的挫败；新旧《唐书》为唐代正史的史籍；《肇始与历史》和《历史大全》为阿拉伯典籍，《肇始与历史》作者不能确定，阿拉伯典籍上一般将著作归于巴勒希，直到1901年法国东方学家Cl. Huart编辑整理的时候才将其考证为麦格迪西；《历史大全》作者为伊本·艾西尔，曾于1186年随萨拉丁征战叙利亚，见证了阿拉伯军队对克拉克骑士城堡的围攻，《历史大全》成书于1231年，记述了上古至艾西尔时代的伊斯兰世界历史概况，为十字军历史提供重要史料；《册府元龟》对怛罗斯战役也有描述，但未给出人数。驻军部署关于唐朝在西域的驻军数量，据《资治通鉴》引柳芳的《唐历》记载，唐朝在742年分布于10个节度使军镇的兵力是486,900人，加上福州、莱州和登州三个州的驻军数量是492,400人，《资治通鉴音注》引《旧纪》则记载总兵力是574,733人，与《唐历》所记载的10个节度使总兵力相差87,833人，但皆为京畿道的诸州驻军数量；其中据《唐历》记载，安西节度使镇兵24,000人，在10个节度使中的镇兵数量排名第8位；北庭节度使镇兵20,000人，在10个节度使中的镇兵数量排名第9位，二个节度使镇兵数量为44,000人。
关于阿拉伯驻兵人数，由于史料的欠缺，史学家只能从阿拉伯典籍的零散史料中估算。至700年前后，倭马亚王朝时期的总兵力据估计是250,000至300,000人，汉文史籍记载的倭马亚王朝兵力为400,000人。当时阿拉伯人口在呼罗珊地区的人数在115,000至200,000人之间。据记载在715年呼罗珊地区的兵力是47,000人；史学家一般相信直到倭马亚王朝末年在呼罗珊地区的驻军数量一直在40,000至50,000人之间。阿拔斯王朝在怛罗斯战役前的兵力无从考证，不过史学家根据在762年哈里发曼苏尔（754-775年在位）面对什叶派穆罕默德‧本‧阿布杜拉（Muhammad b. Abdallah, al-Nafs al-Zakiyya）和其兄弟伊卜拉辛（Ibrahim）发动的起义时透露的数据分析：
据这段记载哈里发一共提及了75,000驻军人数情况，英国伊斯兰学者休·肯尼迪指出阿拔斯王朝绝不止这些兵力，其余没被透露的包括驻守在摩苏尔的2,000人防守哈瓦利吉派的军队，另外可能大约有25,000驻守在东罗马帝国边境；据此休·肯尼迪推测，阿拔斯王朝的军队在曼苏尔时期为100,000人。但休·肯尼迪指出这100,000人都是全职职业军人，与之前的倭马亚王朝军队中的民兵不同。值得一提的是，这里说的100,000人仅仅是驻军，不包括战时临时征行的muttawi'ah（志愿者），因此以东罗马边境为例，25,000驻守在东罗马帝国边境的仅仅是正规军，并非阿拔斯王朝可动员的兵力及藩国参加后的数目：例如，718年倭马亚王朝与东罗马帝国作战时的200,000人、12,000工匠、骆骡各6,000；781年阿拔斯王朝与东罗马帝国作战时的95,793人；806年阿拔斯王朝与东罗马帝国作战时的135,000人（参考阿拉伯－拜占庭战争）。
外国学者对古书上人数的认可中国方面对此战唐军动员的人数，大致有两个不同的记载；一为60,000至70,000人，一为20,000至30,000人。阿拉伯方面的两种记载，对唐军动员的人数为100,000人，对唐军及其附庸军的损失（杀伤和俘虏）记载稍有不同，但总数都为70,000人与《通典》记载一致；100,000人除去记载的被杀和被俘虏的人数，还有30,000幸存者，这个数字与两《唐书》和《资治通鉴》不符，中国方面记载唐军仅有“数千”幸存者。此外，据《资治通鉴》745年条记载，天宝年间唐方将领往往虚报伤亡人数，士兵已经阵亡了，姓名却还在军籍上挂着；不过对于将领是否会虚报一场战争投入的兵力却没有具体说明。
目前，外国史学界学者方面多支持唐朝20,000至30,000人的说法，对唐军100,000人数并没有达成共识，支持此说法的包括著名英国东方学家亚瑟·伟利、汉学家大卫·A·格拉夫、约翰·包威尔及联合国教育、科学及文化组织出版的《中亚文明史》（这部巨作由多位著名中亚研究学者编辑而成，包括著名的路易·巴赞、M·S·阿西莫夫和伊斯兰学者克里夫·E·博斯沃司），其中美国藏学家白桂思、俄国伊斯兰学家巴托尔德和穆罕默德·阿萨德（Muhammad Asad）也指出阿拉伯史籍的言词和唐军人数方面都过于夸大，认为此战唐军的兵力为20,000至30,000人。
阿拉伯人数的估计
关于怛罗斯战役中双方到底谁占有绝对人数（正兵和附庸）优势，由于阿拔斯王朝方面的军动员的人数在中、阿双方典籍上没有任何记载，尚没有一位中外学者涉及到此问题。但据拉尔夫·M·贝克指出，一些外国学者把此战阿拔斯王朝动员的人数估算到200,000人以上（正兵和附庸），高于所有文献上记载的唐军动员的人数最高值100,000人。
关于阿拉伯人在呼罗珊地区以东附属国地区到底可以调动多少附庸军人及当地藩国可参战的兵力，我们在《册府元龟》一份718年吐火罗阿史那特勒仆罗的上书可以看见，以吐火罗为首的12个诸国可动员兵力不下900,000人，可见当时阿拉伯藩国兵卒多之一斑：
阿拉伯人于642年占据赫拉特， 至667年渡过阿姆河到达锡尔河和阿姆河之间的索格底那亚地区。吐火罗及其旁的12个诸国（今阿富汗北部，索格底那亚以南，不包括昭武九姓地区，一般称为吐火罗斯坦）大致在718年成为阿拉伯人的实际管辖地；为中国史籍《册府元龟》和《全唐文》中安、康、俱密（皆于719年）、吐火罗（727年）和石（741年）王所撰的《请讨大食表》描述倭马亚王朝对该地实行的重税提供了旁证。到了8世纪唐朝对该地区（石国、怛罗斯以西地区）进行的仅仅只是虚无的册封。
对这样兵多将广的藩国，阿布·穆斯林（驻于撒马尔罕或康国，河中昭武九姓的宗主国）在怛罗斯战役中，征几万兵应该不是一件稀奇的事。就在此战前夕的750年，河中还爆发了以阿拉伯人为主的什叶派起义，河中的布哈拉王（安国）库泰巴还主动向阿拔斯王朝伸出援手协助平定阿拉伯人舒莱克的起义，没有当地粟特人的协助，齐亚德·伊本·萨里根本不可能转败为胜，所以阿拔斯王朝在此战对这些藩国的征调并非难事，藩国也可以多多地参加。
