李璘拒不接受返回成都的命令后，唐肃宗就已经下了武力解决的决心，派遣宦官啖廷瑶、段乔福赶赴广陵，策划讨伐事宜。啖廷瑶等人来到广陵后，正巧河北招讨判官李铣正在广陵，啖廷瑶与其结为异性兄弟，请求他留下来协防广陵。李铣手下有一百八十名骑兵，遂率领连同骑兵共计数千人马驻扎在扬子（今江苏省扬州市）；李成式命令判官裴茂率领三千步兵，驻扎在瓜步（今江苏省南京市六合区东南）伊娄埭。唐军采取疑兵之计，在长江两岸插满了军旗，李璘和儿子李玚登上城墙眺望，遂面露恐惧之色。这种恐慌的气氛立即传染了军中将领们，季广琛召来众将，对大家说：“我们追随大王来到此地，天命没有降临，人心业已全失，不如趁着还没有打起来，早作打算，不然，要是死在战场上，也将永远成为逆臣了！”众将都觉得他说得有理，于是，季广琛率领本部六千步兵投奔广陵，浑惟明投奔江宁（今江苏省南京市），冯季康、康谦逃至白沙（今江苏省仪征市）。李璘派骑兵追赶，季广琛说：“我不愿辜负大王之恩，才不战归国，你们如果逼我，我将回军决战了！”追兵听后，折返撤回。
听说部将叛逃，李璘忧愁恐惧，无计可施。当晚，长江北岸的唐军燃起很多火把，火光映照江中，一分为二，李璘军也举起火把，遥相呼应。李璘误以为唐军已经渡江，不禁惊恐万状，匆匆携带家眷、亲信弃军而逃，行至黎明，却发现唐军并未渡江，这才又折返回城，找来船只仓皇撤离，命李玚率部朝晋陵（今江苏省常州市）而来。
消息传来，江北各军齐头并进，开始渡江。李成式招募赵侃、库狄岫、赵连城等二十名敢死队员死死追赶，追至新丰（今江苏省常州市武进区境内）。李璘听说唐军已经赶来，遂命李玚、部将高仙琦率军迎战，赵侃等人跨马出战，李铣等大部队随后赶到，从左右两翼包抄李璘军，射中李玚肩膀，李璘军队遂溃散。
李璘与高仙琦等五人骑马与残余部众继续逃奔鄱阳（今江西省波阳县），司马陶备紧闭城门，拒绝他们入城。李璘大怒，命人焚烧城池。行至余干（今江西省余干县），准备南越大庾岭，逃到岭南，江西采访使皇甫侁派兵追击，将李璘生擒，在驿马站秘密处死，其子李玚也死于乱军之中。此时，是唐肃宗至德二载二月二十日。
皇甫侁命人把李璘的家属送回西蜀，唐肃宗听说后，说道：“皇甫侁既然生擒了我的弟弟，为何不送到西蜀，却擅自杀掉呢？”遂终生不再起用他。
李璘兵败后，李辅国讨厌高适敢言，在唐肃宗面前说高适的坏话，唐肃宗将高适贬为太子少詹事。
三百六十六、太原大捷
陈涛斜大败之后，唐肃宗对前景有些茫然。
他问李泌：“如今，敌人如此之强，天下何时能够平定？”
李泌回答：“臣见敌人搜刮的子女玉帛都送到了范阳，岂有雄踞四海之心？如今，只有几个蕃将还替他出力，汉人中仅有高尚几个，其余人等都是被胁迫的。以臣判断，不出两年，天下可定！”
唐肃宗追问：“这是什么原因？”
李泌回答：“敌人的猛将不过史思明、安守忠、田乾真、张忠志、阿史那承庆等几个人罢了，如今，陛下如果命令李光弼从太原东进出井陉，郭子仪从冯翊攻入河东，这样一来，史思明和张忠志就不敢擅自离开范阳、常山，安守忠和田乾真就不敢离开长安，这就是我们只用两员大将就看住了敌人四支部队，安禄山身边只有阿史那承庆一人了。希望陛下下令郭子仪先不要夺取华阴（今陕西省华县），让长安和洛阳之路畅通，陛下率领征召的军队驻扎在扶风（今陕西省凤翔县），与郭子仪和李光弼迭相出击。敌人救头，我们就进攻尾；救尾就进攻头，令敌人在数千里之间疲于奔命。而我军则以逸待劳，敌人前来进攻，我们则避其锋芒；敌人撤去，我们就趁机追击，我们的策略是不攻城，不断路。来年春天，再任命建宁王为范阳节度大使率军从塞北出击，与李光弼一南一北，互为犄角，夺取范阳，倾其巢穴。敌人撤退则无处可去，留在洛阳又不安稳，然后，大军从四面八方会攻，一定能够胜利。”
唐肃宗听后大喜。
李泌的战略是相当高明的，暂且不强攻长安、洛阳，看似缓慢，但实际上却能起到四两拨千斤的效果，彻底平定叛乱，然而，数月之后，建宁王李倓被杀，加之唐肃宗急于夺取长安，这一战略未能实施，也造成了整个平叛战争处于一种逐次平推的局面。
安禄山当然也深知山西高地的极端重要性，李泌的战略还未来得及实施，叛军就主动发起了进攻。至德元载年底，待史思明平定河北后，安禄山即命其协同其他部队向太原发起了进攻。叛军兵分四路，一路是史思明从博陵（今河北省定州市）西进，一路蔡希德从太行（确址不详，应为太行山区），一路由高秀岩从大同（今山西省朔州市）南下，一路是牛廷介从范阳（今北京市）老巢出击，四路大军共计十万余众，目的是将李光弼赶出太原，全取山西屋脊，解除唐军对洛阳、大同、河北乃至范阳的威胁。
当时李光弼麾下的朔方精兵全都被调回，手下只剩不足一万团练兵。史思明信心满满，以为太原指日可下，夺下太原之后，就可以挥师西进，直取朔方、河西和陇右。听说叛军即将到来的消息，太原众将都非常担心，建议整修城墙，严阵以待。李光弼却说：“太原城墙方圆四十里，敌人即将到来，我们却要大兴土木，这是还未见到敌人，我们自己先已精疲力尽了。”于是，他率领太原军民在城外开挖壕沟，用挖出来的泥土制造了数十万块土砖，众人都不明白做什么用。等到敌人前来攻城时，城墙崩坏时，李光弼就命人在城内随时增补。史思明命人去山东运来攻城器具，派了三千胡兵护送，行至广阳（今山西省平定县），唐军游击部队慕容溢、张奉璋出兵截击，将其全歼。
史思明于至德元年年底包围太原，强攻一个多月都没攻下，遂挑选精锐部队作为游击队，给他们分配任务说：“我主力进攻城北，你们就偷偷迂回到城南，大部队进攻城东，你们就去城西，一旦发现有隙可乘，就立即冲上城去。”然而，李光弼军令甚严，即便当面没有敌人，巡逻、警戒也毫无懈怠，敌人最终无法攻入。李光弼又悬赏招募军中有一技之长的将士，人尽其用，安边军有三个铸钱工人擅长挖地道，李光弼就令其从城内挖了数条地道。敌人在城外仰面辱骂，李光弼派人潜出地道，抓住敌人的双脚，将其拉入城内，拖到城墙上砍头示众，从此以后，敌人一到城墙附近，就只顾低头看路，生怕脚下有人。
叛军架起云梯，构筑土山，向太原城发起猛烈的进攻，李光弼则用地道应对，敌人的云梯、土山一接近城墙，即陷入地下。在敌人进攻之初，军营距离太原城墙非常近，李光弼命人制造很多大炮，发射巨石，一炮总能压死二十余人，敌人被打死了十分之二三，遂向后撤出数十步之外，将太原城围了个水泄不通。
眼看敌人采取长期围困的策略，李光弼不禁有些担心，急中生智，就想出了一条诈降之计。他派人假装要投降，与敌人约定了出降日期，叛军大喜，遂放松了警惕。李光弼命人加紧开挖地道，地道一直挖到敌营四周，暂时用圆木支撑。到了约定的日子，李光弼率军站在城墙之上，派遣部将率领数千人出城，做出一副缴械投降的样子，敌人全都目不转睛地观看。就在这时，突然一声巨响，惊天动地，敌营顿时塌陷下去，当时就压死了上千人。叛军顿时吓得六神无主，惊慌失措，乱成一团，太原城上擂起震天的战鼓，出城诈降的唐军趁机高喊冲杀，俘虏、斩杀了近万名敌军。正巧，安禄山死了，安庆绪派人命令史思明率部返回范阳，只留下蔡希德等人继续围困太原。