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。
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。
肃宗轻信宦官鱼朝恩“言贼可灭”的进言，于是令李光弼尽快收取洛阳，但李光弼多次上表认为，叛军兵锋尚锐，应该等待时机出兵，不可轻举妄动。但朔方节度副使仆固怀恩依附鱼朝恩，也建议尽快出兵，在朝廷使者的督战下，李光弼无可奈何，只得留李抱玉守河阳，自己与仆固怀恩、鱼朝恩进攻洛阳。仆固怀恩不听李光弼军令，不在洛阳城北邙山而在平原布阵，致使大败。李抱玉听闻败讯，放弃河阳，李光弼也退守闻喜。
史思明虽然获胜，却被其子史朝义杀死，唐军也因此得以休整，肃宗将邙山之败归罪在仆固怀恩身上，于是优诏征李光弼入朝。李光弼进京后，抗表请罪，被肃宗赦免，因他多次辞让太尉，故朝廷重授李光弼为开府仪同三司、侍中、河南尹、行营节度使，后再拜河南副元帅、太尉兼侍中，统率河南、淮南、江南、浙江等八道行营节度，出镇临淮，进攻史朝义军。
监军使以台州人袁晁，领导的浙东义军势大，李光弼兵少，请他退保润州以避叛军锋芒，李光弼说：“朝廷安危系于我一身，现在敌人虽强，但不知道我的兵力多少，如果我出其不意，敌人自当退走。”径直前往泗州，旋即先克许州，活捉史朝义部将李春，再入徐州。当时，大将田神功平定刘展之乱后，滞留在淮南不前，尚衡、殷仲卿等在兖、郓两州相互攻击，来瑱不听朝廷诏令，坚持留在襄阳。朝廷深感忧虑，等到李光弼到了许州后，史朝义退走，田神功急忙返回河南，尚衡、殷仲卿、来瑱等都畏惧李光弼的威名，相继入朝觐见。
李光弼进封为临淮郡王，旋即派兵收复许州，斩得叛军首级一千余级，擒获叛将二十二人。史朝义分兵进攻宋州，易州遂城府左果毅刘昌率军坚守，李光弼领军救援，将其击退。李光弼又派部将张伯仪等率领各军，向袁晁义军发起攻势，唐军在衢州击败义军。江南人方清在歙州率饥民起义，朝廷命李光弼分兵讨伐。
史朝义走投无路，自杀身亡，历时八年之久的安史之乱平息，李光弼自始至终参加指挥大军，一直是唐军平叛主将之一，发挥了出色的军事才能，指挥唐军歼灭叛军有生力量，为平息内乱立了头功，《新唐书》称赞李光弼在平息安史之乱中，“战功推为中兴第一”。
官军再次击败袁晁义军，经十余次交战，唐军最终击败义军，俘获袁晁，其弟袁瑛率军突围，不久后亦被困死于宁海紫溪洞中。此后，代宗下诏增李光弼实封食邑至二千户，授其一子为三品官，又赐铁券，“名藏太庙”，绘像于凌烟阁。在平定安史之乱中功劳盖世，但是却遭到宦官鱼朝恩、程元振的嫉妒和陷害。
吐蕃在仆固怀恩的引诱下乘虚攻入关中，占领长安，代宗出逃陕州，急诏李光弼奔赴陕州行在。李光弼与程元振不和，于是拖延未去，朝廷倚仗李光弼为后援，故此也不敢加罪于他，反而多次派使者慰问他的母亲李氏。其后，吐蕃被关内副元帅郭子仪击退，代宗任命李光弼为东都留守，以观察他的举动。李光弼以诏书未至为由推辞，率军回到徐州，想要收取江淮租赋以自用。代宗返回长安后，再遣使至徐州，对李光弼加以宣慰，同时命郭子仪将李光弼的母亲自河中送回长安居住，厚待李光弼之弟李光进，以宽慰其心。
起初，李光弼治军严整，先谋后战，能以少胜多，与郭子仪齐名，名震天下，凡是他下的命令，诸将不敢不服。后来，李光弼在徐州不敢入朝，部将田神功等人对他的敬畏态度大有变化，李光弼因而很不得志，忧郁成疾，提前派衙将孙珍向朝廷进呈遗表，自述遗志。
李光弼在徐州病逝，终年五十七岁，代宗为其辍朝三日，追赠太保，谥号武穆。不久后，李光弼的部下护送他的灵柩回到长安，代宗派鱼朝恩前往其母李氏在长安的宅邸吊恤，又命京兆尹第五琦负责监护其丧事，李光弼被安葬在三原，出葬之日，代宗命宰臣百官送葬至延平门外。
李光弼足智多谋，治军威严而有方，善于出奇制胜，以少胜多，与郭子仪齐名，世称“李郭”，被誉为“自艰难已来，唯光弼行军治戎，沉毅有筹略，将帅中第一”。
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