梁军攻破河中府，尽取河中镇所属州县，而后大举进击河东。当时，梁军共分四路，氏叔琮出太行，葛从周出土门，张归霸出马岭关，侯言出阴地关。魏博都将张文恭、定州刺史王处直亦出兵助战，六路大军合击太原。泽州刺史李存璋弃城而逃，汾州刺史李瑭叛附梁军，潞州、辽州、承天军等地皆被梁军攻取。梁军很快便攻至太原城下，李克用亲自上城指挥，并趁大雨连绵，命李嗣昭、李嗣源等不时于夜间出击，袭杀梁军。
当时，梁军兵马众多，粮草供给不足，士卒又多患疾病，朱温见太原一时难以攻取，只得命诸军撤退。李嗣昭趁机与周德威率精骑追击，大败梁军，杀戮以万计，随后又与符存审攻打汾州，仅三日便攻破城池，擒杀李瑭。此战，梁军虽先胜后败，但重新夺回了昭义镇，朱温遂以丁会为昭义节度使，镇守潞州。
不久，李嗣昭又兵出阴地关，攻入河中镇，连取慈州、隰州。当时，朱温正发动凤翔之战，以争夺对唐昭宗的控制，李克用遂趁机攻打朱温。李嗣昭自沁州直趋晋州，在晋州大败梁军，随后与周德威进屯蒲县，但却因兵力不足被氏叔琮打得大败，只得退回河东，梁军乘胜夺回慈、隰、汾三州。
李克用命李存信率亲军迎击梁军，但亦败于清源，梁军逼近晋祠，再次围攻太原。当时，太原城中兵力很少，周边藩镇也大都已归附于朱温，太原孤立无援。李克用昼夜上城指挥防御，不得寝食，甚至打算听从李存信的建议，弃城逃往云州，李嗣昭、周德威及李克用的夫人刘氏皆力主坚守太原，最终打消了李克用的弃城之念。
晋军溃兵不久逐渐返归太原，太原城中人心始稳，李嗣昭与李嗣源等又亲率敢死之士，多次夜入梁军营寨，袭击骚扰。梁军疲于应对，最终只得引兵撤退，李嗣昭率军追击，在白壁关大败梁军，重新收复慈、隰、汾三州。此后，李嗣昭又率军相继讨平云州都将王敬晖、振武军部将契苾让的叛乱。