9月27日，唐军抵达城北香积寺，李嗣业领前军、郭子仪领中军、王思礼领后军，与安庆绪10万精兵对峙。此外，仆固怀恩领4000回纥起兵掩护侧翼，防备燕军偷袭。可知，唐军吸取了清渠之战教训：唐军排出一字长蛇阵，结果遭到燕军夹击、包抄，损失惨重。
清渠之战获胜，安庆绪信心满满，且麾下兵马都是百战精锐；安史之乱爆发前，这些精兵悍将经常吊打突厥、契丹，是唐朝最能打的部队。如此，安庆绪发起进攻，派李归仁率5000骑兵冲锋，冒着唐军箭雨前进。
燕军冲击力强，李归仁很快杀到阵前。唐军弓弩手轮番射击，燕军马匹、士兵死伤过大，李归仁只好撤兵。此时，唐军乘势杀出，追到燕军阵地之前。安庆绪见此情景，让最强大的曳落河军发起反击，冲散唐军队形。
