太原之战，是平乱战争第一次重大胜利和重要转折点，是以少胜多、以弱制强的典型战例。李光弼充分发挥了军事才能，此战为后来胜利收复两京奠定了基础，具有重要战略意义。胜利消息传到灵武，肃宗下诏奖赏李光弼，加他为司空、兼兵部尚书，仍兼同平章事，封魏国公。

肃宗再次诏李光弼与关内节度使王思礼入朝，命朝中四品已上的官员都出城迎拜，升他为侍中，改封郑国公。李光弼与郭子仪等九位节度使，奉命统领十万大军讨伐安庆绪，因肃宗不相信诸将，故而不设主帅，只派不懂军事的宦官鱼朝恩为观军容宣慰处置使，总揽诸军。唐军出师后，在获嘉击败叛军，斩首四千级，捕虏五百人，叛将安太清逃至卫州防守，安庆绪派七万军队援救卫州。唐军大破安庆绪，斩首四万级，缴获铠胄数十万，收复卫州。唐军又在愁思冈击破叛军，并趁势围攻邺城，安庆绪求救于史思明，史思明出动十三万军队援救邺城。

史思明在魏州自称大圣燕王，李光弼说：“史思明攻占魏州后，按兵不动，是想松懈我军意志，然后用精兵突袭。请让我与朔方军联兵进逼魏州，向史思明挑战，史思明有鉴于嘉山之败的教训，必定不敢轻易出战。这样旷日持久，我们就能够收复邺城。如果安庆绪败死，史思明就会失去号召力，难以指挥叛军。”因鱼朝恩反对，此事只好作罢。唐军“步骑六十万”列阵于安阳河北，史思明亲率五万精兵冲击唐军，李光弼、王思礼、许叔冀、鲁炅率部先与史思明交战，双方被杀伤的人数几乎相等。郭子仪率部在后，还未来得及布阵，突然大风突起，吹沙拔木，天地晦暗，即使近在咫尺却看不清，唐军与叛军都大惊，各弃兵仗、辎重，分向南、北方面溃退。这一变故，使洛阳官民受到惊吓，纷纷逃避山中。此役后，各节度使相继溃归本镇，士卒在沿途剽掠，官吏不能禁止，扰乱多日方才安定，只有李光弼与王思礼整敕部队，全军而归。

战后，鱼朝恩把责任推到郭子仪身上，肃宗剥夺郭子仪的兵权，命李光弼接替郭子仪任朔方节度使、天下兵马元帅。因李光弼请求以亲王为元帅，自领副元帅，朝廷于是重新任命赵王李系为天下兵马元帅。李光弼虽为天下兵马副元帅，却仍知诸节度行营，是实际上的平叛主帅，李光弼受命后，以河东骑兵五百人驰赴洛阳，夜入朔方军中。为防叛军进攻洛阳，他认为“当扼虎牢”，于是领兵东出黄河。朔方军习惯郭子仪的宽纵，畏惧李光弼的严厉，左厢兵马使张用济与诸将密谋驱逐李光弼，迎回郭子仪，经劝阻方才作罢。李光弼领数千骑兵东出汜水，张用济单骑迎拜，李光弼责备他没有按时到达，于是将其斩于辕门。

史思明集结重兵南下，分兵四路，企图围攻汴州，李光弼当时正在巡视黄河沿岸各部，得知史思明南下的消息后，立即返回汴州，对汴滑节度使许叔冀说：“你如果能够坚守汴州十五天，我就率兵来救。”许叔冀允诺，李光弼便返回洛阳，待到史思明率军来攻时，许叔冀一旦兵败，却决定投降叛军，许叔冀的背叛，使汴州陷落，叛军甚至南下至江淮一带。

史思明挟胜西攻郑州，李光弼缓行至洛阳后，对东都留守韦陟说：“贼人乘胜来攻，我们应该按兵不动，不宜速战。洛阳城难以坚守，您有什么计策呢？”韦陟请求留兵陕郡，退守潼关，占据险要之地，以挫叛军锋锐。李光弼说：“两军相当，贵进忌退，如今无故放弃五百里地，那么贼人的势力就会更加嚣张。不如移军于河阳，北与泽潞相连，有利则进，不利则退，表里相应，让贼人不敢西侵，这是猿臂之势。争论朝中礼仪，我不如您；如果论及军旅之事，您不如我。”韦陟不能应答。东都判官韦损说：“东京是帝宅，侍中（李光弼）为何要弃守？”李光弼说：“如果要坚守东京，那么汜水、崿岭、龙门一带都要布兵设访，你是兵马判官，能守住吗？”于是，李光弼下文书，令韦陟及河南尹李若幽分率洛阳官民撤离，使洛阳变为一座空城。

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李光弼指挥士卒把油、铁等物资运入河阳，准备防守，并亲率五百骑兵殿后。当时，史思明的游兵已到达石桥，诸将问道：“现在是从洛阳城北绕行呢，还是从石桥上过去？”李光弼说：“就从石桥上过去。”到天黑时，他命令士卒手持火炬，缓慢地前进，队伍严整，叛军紧随其后，但不敢逼近。李光弼连夜撤退至河阳，有士卒两万，但城中口粮仅够十日食用。李光弼检查守备，安排士卒，一律严办。而史思明进入洛阳后，得到的只是空城，他担心李光弼截断后路，只得不退驻白马寺南，又于河阳城南建筑月城，以做防备。

史思明进攻河阳三城，李光弼先设计诱得史思明所部良马千余匹，接着又用木杆铁叉叉住史思明在黄河上的火船攻势，并设计招降了叛军骁将李日越、高庭晖。史思明损兵折将，亲率大军再攻河阳，李光弼问李抱玉：“你能为我坚守南城两天吗？”李抱玉说：“超过两天以后怎么办？”李光弼说：“如果超过两天救兵不来，就随你放弃。”李抱玉同意，然后整兵守城，屡挫叛军，李光弼亲驻河阳中城，用部将荔非元礼之计，击退了叛将周挚的进攻。

在进攻中城失利后，周挚等转逼北城，李光弼立刻率兵到了北城，登上城头，望着叛军说：“贼兵虽多，但混乱不整，不足畏惧。过不了中午，一定为诸位破敌。”于是命诸将出战。到了中午，还没有决出胜负，李光弼便派爱将郝廷玉、论惟贞分别攻击最顽强的西北、东南两处叛军，并下令：“你们都看着我的旗子作战，如果我的旗子挥动缓慢，就任凭你们择利出战，如果我急速往地上挥动旗子三下，你们就全军齐发，冒死前进，稍有退者斩！”他事先在靴内藏刀，说：“战斗，是危险的事。我身为国家的三公，不能死在贼人手上。万一作战不利，诸君在前战死，我在此地自刎，决不只让诸君单独赴死。”郝廷玉奋命先登，流矢雨集，他的战马受伤而退，李光弼登城望见，惊骇地说：“郝廷玉败退，我军就完了！”

于是，命左右取郝廷玉首级来，郝廷玉见使者前来，说：“是马中毒箭，不是兵败了。”李光弼命人为他换马再战。仆固怀恩与其子仆固玚作战稍有退却，李光弼又命左右去取他们的首级，仆固怀恩父子看见使者提刀骑马而来，重新上前决战。李光弼不断地挥动着手中的旗子，诸将冒死进攻，呼喊之声惊天动地，最终大败叛军。此役，唐军斩首一万余级，生擒八千余人，获马两千匹，军资、武器数以亿计，周挚仅以身免，叛将徐璜玉等被擒获，另一叛将安太清退守怀州。河阳之战再次表现了李光弼杰出的军事才能，此战的胜利牵制了史思明主力军，保障了潼关和长安的安全。

此时，史思明不知周挚等已经战败，还在攻河阳南城，李光弼在河边向其展示俘虏，史思明才退去。他趁势攻怀州，史思明来救，李光弼迎击于沁水之上，又将其击败，安太清在怀州拒守一月有余，李光弼令仆固怀恩、郝廷玉由地道而入，里应外合，攻克怀州，安太清等被生擒，送往朝廷。