李嗣源随李存勖参加柏乡之战，李存勖见梁军军容强盛，担心晋军怯战，便有意激李嗣源出战以鼓舞士气，他向李嗣源赐酒，道：“你看到梁军的白马都、赤马都了吗？真令人胆战心惊。”李嗣源大笑，认为梁军虚有其表，他饮掉杯中酒，而后挺身上马，率部直冲梁军白马都，生擒两员骑校。晋军士气大振，皆奋勇向前，由辰时一直打到未时，终于击溃梁军，取得柏乡大捷。此战，李嗣源在梁军阵中往来冲杀，斩获颇多，因功升任代州刺史。
周德威征讨燕王刘守光，命李嗣源分兵攻取山后八军，李嗣源在广边军与燕将元行钦交战，虽七次射中元行钦，但最后也被元行钦射中大腿。元行钦最终不支请降，被李嗣源收为养子，后被李存勖索要至麾下。
李存勖与梁将刘鄩在故元城交战，李嗣源率三千骑兵鼓噪奋击，与李存勖内外夹攻，大败梁军。随后又攻占后梁所属的磁州、洺州、相州等地，被改任为相州刺史。沧州守将毛璋投降晋军，李嗣源奉命到沧州安抚毛璋，不久又被任命为安国军节度使，出镇邢州。
契丹围攻幽州，守将周德威遣使告急，李嗣源力主救援，并请率五千突骑为前锋。李存勖便让他与符存审、阎宝会师于易州，一同援救幽州。李嗣源分析敌我形势，采取“潜行溪涧，袭其不备”的战术，率军翻越大房岭，沿山涧东进。与养子李从珂拼死血战，击退契丹军的多次堵截，进抵幽州城外六十里处。当时，契丹骑军突然杀至，李嗣源纵马冲入敌阵，舞槌奋击，所向披靡，生擒契丹队帅。晋军随后进击，终于大败契丹，解除幽州之围，李嗣源班师，进拜检校太保。
李嗣源联合河中节度使朱友谦、昭义节度使李嗣昭、沧州节度使符存审、定州节度使王处直、天平节度使阎宝、大同节度使李存璋、新州节度使王郁、振武节度使李存进、同州节度使朱令德，三次上表劝进，请李存勖称帝，并各献货币数十万，作为其登基建国的费用，但均被李存勖拒绝。李嗣源在戚城大破梁将戴思远，斩首二万级，升任蕃汉内外马步副总管，并加授同平章事衔。
李嗣源调任横海军节度使，李存勖在邺都称帝，建立后唐，是为后唐庄宗，李嗣源进拜检校太傅，兼任侍中。当时，梁唐两军主力对峙于黄河沿岸，一路梁军正急攻泽州，而后唐潞州守将李继韬却叛附后梁，李存勖便与李嗣源商议，欲出兵奇袭郓州，以切断梁军右翼。李嗣源亲率五千步骑渡过济水，趁梁军不备袭破郓州，被拜为天平军节度使。