经过半个月的行军，第六路军终于到达巴格达以南区域，但是感到大食军开始明显增多，竭力阻挡唐军接近巴格达。
当唐军冲破大食军的阻挡，抵达巴格达附近时，发现这是个巨大的城市，可与长安媲美，巴格达周围聚集了众多的大食军，预感巴格达之战不好打。
李愬知道巴格达是黑衣大食的首都，大食军必然会倾尽全国兵力，所以比较谨慎，派出斥候先收集一些情报。第六路军暂时不动，大食军也暂时不动，两军形成对峙状态。
唐军的斥候部队抓了几个大食军的俘虏，经过审问，得知黑衣大食在巴格达一带集中了15万军队，当即将这个重要情报报告给李愬。
李愬和两个副将商议一番，觉得第六路军只有镇西军和三个契胡团，加上前面的战损，只有三万多人，对付十五万人，还有这么大的城市，觉得有些吃力。
李愬觉得，来都来了，不可能不打就撤，敌军的规模比较大，包围起来不现实，可以打一场击溃战，先占领巴格达再说。两个副将也认为，唐军虽少，但是具有火力优势，将大食军逐出巴格达还是可以办到的，同意打这一仗。
大战前夕，双方调兵遣将，进行各项战前准备。巴格达是个环形城市，李愬决定将主攻方向定在底格里斯河以北的城东方向，这里地形平坦，视野开阔，方便唐军排兵布阵。黑衣大食发现唐军将主要兵力集中在城东，也重新调集部队，采取应对措施。
李愬决定采取“凸”字型的进攻队形，主攻部队在前，其他部队环绕辎重和炮兵部队，主攻部队进攻时，其他部队进行掩护。这样的好处是，可以将所有部队集中在一个方向上，进行重点突破，缺点则是放弃其他方向，方便敌军调动兵力。
李愬认为，集中兵力可以最大限度发挥唐军的优势，只要能攻破城池，唐军就可以大杀四方，在唐军的火力优势下，完全可以击溃大食军，待占领巴格达以后，可以再逐步清缴这些溃兵。
唐军准备完毕以后，就开始用大炮轰城，巴格达城墙非常坚固，又高又厚，唐军的炮兵轰了三天才轰开一个宽大的缺口。炮兵停止射击后，唐军前锋五千人开始发动进攻，从缺口处向里攻击。
由于有了拉伊城的教训，唐军刚开始比较谨慎，逐步往里推进。缺口处涌来不少大食军，依托工事和掩体，拼命抵抗唐军的进攻。前锋部队发现并无异样，就开始放心大胆的往里进攻，大食军主要用弓弩、突火枪、炸弹进行反击，虽然对唐军造