天宝十四年（公元775年）二月，李光弼担任着“分兵东进，先定河北”的使命，率领马步兵一万和太原弩手三千，东出井陉，直取常山郡（治所在今河北正定县）。真定（今河北正定）城中的三千团练士兵，见唐军已到，乘机起义，与李光弼里应外合，杀尽胡兵，捉获叛将安思义，开城出降。
李光弼决定将真定作为立脚点，先稳定这里的局势，再图进取。为了知彼知己，把握战机，他采取了“恤民善俘”的政策，对饱受叛军迫害的当地百姓，给予优厚的抚恤，使他们主动为唐军出力，探听叛军动静，及时报告。对叛将安思义晓以利害，允许他将功赎罪。安思义感激不杀之恩，便主动献策，对李光弼说：唐军远来，人马疲惫，难以应付强敌的突袭；胡人的骑兵虽然骠悍，却没有沉稳持重的素质，一旦受挫，即涣散斗志，那时自有全胜的希望；史思明在饶阳（今河北中南部），距此地二百余里，昨夜已发出告急文书，估计前锋骑兵明晨可至，大军也将随后赶来。李光弼根据他提供的这些情况，决定移军入城，做好充分的防御准备，先使自己立于不败之地，而后伺机出战。
李光弼在常山与史思明相持了四十多天，各自寻找战机。史思明为了扭转战局，派兵断绝了常山的粮道。真定城中战马草料将尽，李光弼决定到石邑取草。他派出五百辆粮车，用身着铠甲的士兵作车夫，命一千弩手随行护卫，结成方阵前进。沿路拦截的叛军，慑于弩箭的威力，始终不能得手。史思明又派人袭取石邑，结果也被张奉璋击退。李光弼为了打破僵局，确保常山不再得而复失，便派人向郭子仪求援。至德元年四月，李光弼与郭子仪合汉，回纥步骑兵共十余万，在九门城南，与史思明展开快战，史思明大败，收拾残部逃向赵郡，常山被彻底收复。
李、郭大军合兵攻克赵郡，史思明又窜入博陵（今河北蠡县南）。李光弼引兵围城，久攻未下。这时，唐玄宗听信宰相杨国忠的谗言，促令潼关守将哥舒翰舍关出战，以求速胜，结果使二十万官军遭到叛军伏击，哥舒翰战败被俘，举国震惊。都城长安失去了屏障，唐玄宗仓皇出宫，逃往成都。这一战略失误，使叛军得以长驱直入，所过之处，郡县不能挡其锋芒，纷纷献城请降。李光弼只得撤去博陵之围，率兵五千奔赴太原。
太原城中只有临时招慕的团练士兵，总数不过万人，李光弼的精锐主力已随郭子仪去了朔方（今宁夏灵武西南），史思明见太原空虚，以为吃得开唾手可得，邀集十万大军，进攻太原，企图为入侵朔方打开缺口。太原城中人心惶恐，诸将建议加固城墙，以抵挡叛军。李光弼说，“太原城周长四十里，仓猝修筑谈何容易，何况敌人即将到来，我们不能没等见到敌入先疲劳自己。”他率领士兵和民夫在城外深挖堑壕，作为第一道御敌工事。并且命令军民就便在壕中取土，制土坯数十万块。叛军来到城下，在堑壕边受阻，李光弼以小股兵力在城外负责阻击，城中军民则用事先备好的土坯从容地修缮城墙，将薄弱之处一一加固。
李光弼命人制成发射巨石的人力“大炮”，每抛掷一次，总有数十名敌人被击毙。攻城的敌军死伤至十分之二三，不得不退到“大炮”射程以外，严密防守。
史思明见抢攻不成，就派三千胡兵到山东运取攻城器械。这些人在回来的路上，遭到李光弼部将的截击，斩杀殆尽。在战斗的激烈时刻，李光弼将自己的办公和休息地点移至城楼，搭起简易军帐，虽然有时路过帅府，从不停留半步。
两军相持一个多月，史思明见太原城久攻不下，便想出一个声东击西之计，选睛锐骑兵作为“游兵”，叮嘱他们说，“我们攻城北，你们就伺机偷袭城南；我攻城东，你们就去城西，发现破绽就猛烈进攻，一举拔城。”由于李光弼治军严明，令出如山，守城士兵不敢懈怠，即使在没有敌人攻城的战斗间隙，也从未放松戒备。史思明声东击西的企图，完全落空。
乾元二年（公元759年）九月，史思明留其子史朝清守范阳，自率数万精兵进攻汴州，直取洛阳。李光弼对部下说：“敌人乘胜而来，其势凶猛，我们利在按兵不战，不利于速胜，洛阳不能固守，诸位有何高见？”有人认为应该继续后撤，凭潼关之险固守，挫敌锐气。李光弼说：“固守潼关，可能万无一失，但两军兵力相当，贵进忌退，寸土不让。现在无故弃地五百里，就会助长敌人的声势。不如移军河阳，与内地相呼应，进可攻，退可守，使敌人不敢西侵，取伸屈如意的猿臂之势。”有人质疑说：“洛阳是帝都，您怎么弃而不守呢？”李光弼说，“若想守住洛阳，则附近郡城必须派置适当兵力，敢问诸位，哪个能守住这些城邑呢？”李光弼果断地作出决策，派人将官吏的眷属转移到潼关以西，并动员洛阳城中的百姓出城避敌，只给敌人留下一座空城。又命人将大量的油、铁等物资运入河阳，以备守城之用，李光弼亲率五百骑兵，为大部队殿后。这时史思明的小股先头部队已经到了洛阳城外的石桥附近。诸将请令说：“现在我们是由洛阳向北绕行呢？还是直走石桥呢？”李光弼果断地说：“直走石桥！”天色渐暗，李光弼命士兵打起火把，缓速行军。由于队伍严整难犯，敌人只是远远地跟在后面，不敢逼近。
当夜，李光弼率军到了河阳。河阳城中，只有二万人马，所存粮草，也仅够十日食用。李光弼严格地检阅城中守备情况，合理地配置兵力，一切处理得井然有序。
史思明随后进入洛阳，这才发现是座空城，一个人、一粒米也没有留下。史思明一无所获，又怕李光弼随后掩袭，没敢进入皇宫，赶紧出城，将大军屯驻在白马寺以南，在河阳城南构筑月城，防御李光弼。
史思明有一千多匹良种骏马，每天不厌其烦地到河岸的浅滩上给战马洗澡。其目的是向李光弼炫耀实力，以瓦解城中守军的斗志。为了再教训史思明一次，李光弼想出了一条妙计，让人在军中选出五百匹母马，将它们的马驹关在城内，等到史思明的战马到了河边，把五百匹母马全部赶出城外，母马失去马驹，嘶鸣不已，史思明的战马都是公马，听到母马的叫声，纷纷浮水渡河，结果都被赶入河阳城中。
史思明弄巧成拙，反丢了一千匹良马，恼羞成怒。他见河阳城被两股河水分隔，中间有浮桥连通，便想出一条毒计，将数百艘战船列于河中，点燃前面的战船，顺流漂下，打算烧掉浮桥。李光弼用事先准备的数百条百尺长杆，根部安装巨木作支柱，杆头装上铁钗，将火船迎头叉住，顶在河心，火船无法前进，不一会便化为灰烬。然后如法炮制，后面的战船也被叉住，在桥上用“大炮”发射巨石，战船全被击沉。史思明的进攻又一次宣告失败。
史思明计计落空，只好再一次强行攻城。李光弼看到河阳城的浮桥仍显薄弱，决定亲自率兵驻守。为了争取时间，他对部将李抱玉说：“将军能为我固守南城，拖延两天时间吗？”李抱玉说：“过了期限怎么办？”李光弼说：“过期救兵不到，任凭你舍弃它。”李抱玉领命之后，引兵据守。当敌军进攻过于猛烈，城池危在旦夕时，李抱玉骗叛将说：“我们的粮草已尽，确实无力再战，请准许我们明天投降。”叛军喜出望外，收兵回营，等待李抱玉投降。李抱玉利用这点时间，抓紧做好了守城准备，第二天一早又向叛军请战。叛军上当，怒不可遏，攻打城池更加猛烈。李抱玉在夜间安排了一支队伍，作为奇兵伏在城外，这时突然杀出，与城内里外夹攻，杀得叛军措手不及，死伤惨重，只得收拾残部退逃。
史思明在邙山击败李光弼后，乘胜进军，迅速占据十三州的地域，正欲西入潼关，直捣长安。李光弼受命后，匆匆上任，奔赴前敌。途中，监军使者因兵力太少，建议据守扬州，先图自保。李光弼说：“朝廷委我重任，我再退缩不前，朝廷还有什么希望？再说，敌人怎会知道我们人数多少？如若出其不意，敌军自然溃逃。”
李光弼派兵遣将，分路出击，终于一举收复东都洛阳。史朝义屡战屡败，走投无路，自缢而死。历时八年之久的安史之乱，终于结束了。然而朝中佞臣对平乱功臣的迫害也随之加剧。
唐肃宗的宠臣，骠骑大将军程元振，专揽朝政，因寸功未立，深感自卑，对有功战将极为忌恨，伺机加害。节度使来填在洛阳时，程元振私下请托，来填没有答应他的要求。等他做了宰相后，屡加谗害，唆使曾经投敌的节度使王仲升诬告来填通敌，致使来填被削官流放，赐死于途中，边将们为此恨之切齿，后来吐蕃兴兵犯境，程元振隐而不报，使肃宗狼狈出逃。朝廷下诏征集诸将时，李光弼等功臣担心被害，无人敢去勤王。肃宗逃到陕州，屯兵徐州的李光弼心有余悸，徘徊不前。待吐蕃被击败后，李光弼宁愿到江淮掌管粮运，始终不敢入朝。
李光弼治军严整，每一发号施令，诸将甚至不敢仰视，他每次作战，必先深思熟虑，定出计谋，然后才遣将发兵。他善于出奇制胜，往往以少数兵力，歼灭数倍于己之敌，当时被誉为“中兴第一将”，与郭子仪齐名。
唐代宗广德二年（764年），李光弼病逝，享年五十六岁。临终前，他将因功赏赐的绢帛分赠给部下，将士们得知李光弼的死讯，纷纷把这些绢帛披在身上，向主帅致哀，人们从很远的地方就能听到三军的号哭声。代宗皇帝派使节前往吊唁，追赠李光弼太保的名誉官衔，赐谥号为“武穆”，以纪念和表彰他一生的功绩。
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