其后，安禄山被儿子安庆绪所杀，史思明被召回范阳，留下蔡希德继续围攻。一个月后，眼见敌军疲态尽显，李光弼亲自率领敢死队出击，大破叛军，斩首七万多人，残余敌军仓皇而逃。
接下来，李光弼兼任幽州大都督府长史、河北节度使等职，继续战斗在平叛一线。他先在河阳大破史思明，其后再次击败史思明援军，生擒敌将安太清、周挚、杨希文等人，顺利收复怀州。
然而不久后，在宦官鱼朝恩、另一位将领仆固怀恩的唆使下，唐肃宗犯了他父亲同样的错误：强迫李光弼进攻洛阳。由于敌我力量相差悬殊，唐军终于落败。唐肃宗自知理亏，将李光弼任命为太尉，兼河南、淮南、山南东道、荆南等副元帅，出镇临淮。当时的叛军正趁胜利横行浙东，李光弼分兵进讨，很快安定了局。
公元762年，李光弼被封临淮王，赐铁券，绘像于凌烟阁。
