不久，军事重镇洛阳即告失守，通向都城长安的门户随时都有可能被攻破。天宝十五年（756年）二月，李光弼被任为魏郡太守，在危难之机担负起了保卫国家、平定叛乱的重担。他首先吸取了军备松弛导致洛阳失陷的经验教训，训练了一支军纪严整、战斗力强的军备力量。之后率领步骑兵一万余人，手三千人迎击叛军，收复了七县失地，极大地鼓舞了军民的士气。李光弼因功被朝廷加封为范阳长史、河北节度使。之后，李光弼又与郭子仪密切配合，进一步取得了胜利，叛军的气势很快低落下去。
可就在这紧要关头，由于镇守潼关的大将哥舒翰受朝中奸臣构陷而被迫听命引兵出关，导致了兵败被杀、无险可守，致使叛军长驱直入开进长安，局势再次陷入危急中。唐玄宗也被迫逃入蜀中，李光弼辛苦征战收复的许多失地重又落入敌手中。
不久，北上抗敌的皇太子李亨被拥立为帝（即唐肃宗，改元至德），李光弼被任为户部尚书，留守北都（太原）。至德二年（757年）一月，史思明攻入太原，李光弼以少抗多，沉着应战，坚守城池四十多天。这时，安禄山为其子安庆绪所杀，安军大乱，李光弼得以乘乱反击而取胜，郭子仪、李光弼因屡建奇功而受封赏。
759年4月，史思明杀安庆绪后自立为帝，李光弼奉命前往征讨。他运用高明的军事策略和计谋，不仅轻易得到了史思明的良马千匹，还将史思明手下的大将李日野感化而归降。史思明众叛亲离，成为强之末。这时候，李光弼却引起了肃宗的猜疑，为了顾全大局，李光弼忍辱负重，一边奋力平灭叛军，一边努力协调与朝廷的关系。
上元二年（761年）三月，史思明为其子史朝义所杀。763年7月，逃散在各地的叛军残余先后被李光弼等人消灭，历时七年又两个月的“安史之乱”，终于平息下来。而战功卓著的李光弼却自愿回徐州镇守江淮，不想再参与朝廷的纷争。唐代宗广德二年（764年）七月，李光弼病逝于徐州兵营。
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