郭子仪首战告捷后，随即与关内节度使王思礼合兵，向长安进军。叛军大将安守忠、李归仁率大军在京城西清渠抵挡唐军，双方相持7天，唐军无法前进一步。安守忠假装撤退，郭子仪立即下令全军追击。叛军派出9000骁勇骑兵，摆开一字长蛇阵，唐军上前进攻的时候，长蛇阵首尾突然变化为两翼，夹击唐军，唐军大败。唐判官韩液、监军孙知古都被叛军俘虏，军资器械丢弃殆尽。郭子仪不得不退军，并上书肃宗，请求自贬。
肃宗见唐军一败再败，认为叛军精锐难敌，一直忧心忡忡。郭子仪认为回纥骑兵精锐，可与叛军匹敌，便劝肃宗请回纥派援兵。肃宗与回纥怀仁可汗定约：“收复京师之日，土地和百姓归唐，金帛与子女尽归回纥。”这实际上是一种变相的饮鸠止渴，同时将灾难转嫁到普通百姓身上。
怀仁可汗欣然同意，立即派儿子叶护及将军帝德等率4000精锐骑兵来到凤翔，要助唐军一臂之力。肃宗十分高兴，盛情宴劳赏赐叶护，惟其所愿。回纥军的伙食也优厚于唐军，每天供应羊200只，牛20头，米40斛。肃宗之子广平王李俶（后改名李豫，即为后来的唐代宗）还与叶护对天盟誓，约为兄弟，叶护大喜过望，主动称呼李俶为兄长。
至德二年（757年）八月二十三日，肃宗犒赏三军，准备发起总攻长安、收复京师的战斗。郭子仪依然任天下兵马副元帅（广平王李俶挂名天下兵马元帅），负责总指挥。肃宗对郭子仪说：“事情成败，在此一举。”郭子仪回答说：“如果这一战不能收复长安，臣当以死来相报。”
八月二十七日，御史大夫崔光远（即前面那位反复无常的京兆尹）首先出战，大败叛军于骆谷（今陕西周至西南）。随后，唐将光远行军司马王伯伦、判官李椿率2000人马进攻中渭桥（今陕西咸阳东北），杀叛军守桥兵1000余人，并乘胜攻至长安苑门，形势一度对唐军有利。当时驻扎在武功的叛军听说渭桥失守，担心腹背受敌，便急忙弃地而逃，奔回长安，刚好遇到唐军进攻长安苑门，于是与守城叛军内外夹击唐军，唐军溃败，唐主将王伯伦战死，另一主将李椿被叛军俘虏。
九月十二日，天下兵马元帅广平王李俶率领朔方诸道唐军及回纥、西域来援之军共15万，号称20万，从凤翔出发。回纥军到达扶风之时，郭子仪专门为叶护设宴，热情款待。出乎所有人的意料，叶护竟然慷慨说：“国家有难，我才率兵从大老远赶来相助，国难未消，何以食为！”宴会一结束，便立即率军出发。
九月二十七日，唐大军到达长安城西，在沣水之东的香积寺（位于今陕西长安南）以北摆开阵势，李嗣业为前军，郭子仪为中军，王思礼为后军，回纥兵马由叶护率领作为机动部队，唐军绵延横亘30里，要与叛军决一死战。叛军10万人在北部列阵，叛将骁将李归仁首先出阵挑战，唐军前队迎战，逼近叛军阵前，叛军突然开始大反扑，唐军阵势大乱，开始溃败。在最危急的时候，李嗣业说：“今日如果不以身饵敌，则官军非败不可。”于是卸下铠甲，光着膀子，抡起长刀，大声呼叫，冲向敌阵。李嗣业勇猛砍杀，所向披靡，共杀数十人，叛军一时惊骇，竟然被其英勇所震慑。唐军见主将身先士卒，士气大振，阵势得以稳定。
当时，叛军事先将精兵埋伏在东面，想袭击唐军的背部。唐军得知后，派朔方左厢兵马使仆固怀恩率回纥兵回击，回纥兵锐不可当，叛军望而生畏，死伤惨重，几乎全军覆没，叛军由此锐气大受挫折。李嗣业又与回纥兵从叛军阵后出击，与唐大军两面夹击，共杀死叛军6万余人，填于沟堑死者不计其数。这场血战一直从午时持续到酉时，直到夜幕降临，叛军大败之下，不得不收拾残兵退入长安城中。
这时候，仆固怀恩对广平王李俶说：“叛军肯定要逃离长安，请让我率两百骑兵追击，这样一定能俘获叛军大将安守忠、李归仁等人。”李俶却不同意，说：“将军战已疲劳，暂且休息，等明天再说。”仆固怀恩说：“李归仁、安守忠等都是叛军中的骁将，今天被我们骤然打败，这是天赐给我们的好机会，为何要纵之而逃呢！如果使其重整旗鼓，卷土重来，将是我们的大祸患，到那时后悔就迟了！兵贵神速，为何要等到明天！”广平王李俶却坚持不让追击，让仆固怀恩回去。仆固怀恩料到叛军必无守志，一定会弃城逃跑，又去向李俶请求，往而复返，一晚数次，但李俶始终没有同意。
