此时，李嗣业率唐军与回纥军绕道至叛军阵后，与唐朝大军前后夹击叛军，从午时至酉时，大破叛军，斩首六万，叛军填沟壑而死者达到十分之二三，叛军大败而溃退，剩余的叛军逃入长安城中，夜晚喧叫声不止。安史叛军将领张通儒、安守忠、李归仁向东退去，防守陕郡，唐军收复长安。安庆绪又命令严庄率军队到陕郡援助张通儒等人抵挡唐朝官军。
广平王李豫、郭子仪、王思礼等大军驻扎在陕西，李嗣业与郭子仪在新店遇到叛军，交战数合，唐军先胜后败，李嗣业急忙接应，回纥从叛军背后攻击叛军，冲入叛军军阵，李嗣业率领唐军精锐骑兵前进攻击，内外夹击之下，叛军大败，逃向河北，郭子仪于是收复东都洛阳。李嗣业作战最多。
李嗣业与张镐、鲁炅、来瑱、吴王李祗、李奂攻打河南、河东道的郡县，全部收复，只有叛将能元皓占据北海，高秀岩占据大同，还未克复。李嗣业因功加任开府仪同三司，兼任卫尉卿，封爵虢国公，食邑两百户。李嗣业屯驻在河内，北庭兵马使王惟良阴谋叛乱，李嗣业与裨将荔非元礼讨伐并杀死王惟良，叛军首领安庆绪得知李嗣业驻守在河内后，和部将蔡希德、崔乾率领步兵、骑兵二万，渡过沁水来攻打河内，没有攻克而率兵返回。
李嗣业兼任怀州刺史，充任镇西、北庭行营节度使，奉命与朔方节度使郭子仪、淮西节度使鲁炅等率领步兵、骑兵二十万讨伐安庆绪。郭子仪击败叛军将领安太清，安太清退保卫州，郭子仪进兵包围卫州，李嗣业等一起到卫州与郭子仪会合，安庆绪派兵七万援救卫州，唐军大败安庆绪，攻取卫州。
李嗣业和郭子仪等围攻相州，当时军队疲倦，众将都没能建功，只有李嗣业穿铠甲多次奋勇杀敌，在众军中数第一。李嗣业后在攻打邺城时，身中流箭受伤，躺在营帐里养伤，伤势即将痊愈，恰逢突然听见发令的钟鼓声，李嗣业知道是在和叛军作战，因而大喊杀敌，致使伤口破裂，流血几升而死。唐肃宗得知后，甚是震惊惋惜，便下诏表彰李嗣业的生前功绩，赐谥号为忠勇，追封武威郡王，并派灵车护送其遗体回任所。下葬当天，唐肃宗派宦官前往吊唁，朝中大臣哭着为李嗣业致哀，李嗣业的墓地安排十户人家常年清扫。
李嗣业，是唐朝名将，骁勇善战，一生忠心报国，每逢出战皆身先士卒，所向披靡，屡次建立战功。先后打败十姓苏禄、小勃律国、石国、大食国等国，多次击败叛军，收复两京及河南、河东两道郡县。而且李嗣业为官清廉，从不办置家产，身边只有大宛马十匹而已，李嗣业先后受到赏赐的财物，都全部交给官府来补充军费。
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