时间转眼到了二十年（公元923年），李嗣源接替李存审担任沧州节度使。他深知自己肩上的责任重大，不敢有丝毫的懈怠。四月，庄宗在邺宫即位称帝，李嗣源也因此晋升为检校太傅、兼侍中。不久之后，庄宗又命令他率领步兵骑兵五千人袭击郓州。李嗣源不负众望，成功攻下了郓州，并被授予天平军节度使的职位。
五月，梁军攻陷了德胜南城，并包围了杨刘。他们企图以此扼制我军出师的道路，让我军陷入困境。然而，李嗣源却孤军守卫汶阳，四面抵抗敌军。他凭借着过人的勇气和智慧，与敌军展开了顽强的斗争。过了很久之后，庄宗才终于解除了杨刘的围困。
九月，梁将王彦章率领步兵骑兵一万人逼近郓州。他们从中都渡过汶河，企图一举攻下郓州。李嗣源得知消息后，立即派遣长子李从珂率领骑兵在递坊镇迎战敌军。经过一番激战，李从珂成功俘获了梁将任钊等三百人，王彦章也被迫退守中都。
庄宗听说捷报后非常高兴，他立即从杨刘率军赶到郓州。他以李嗣源为前锋，在中都大败梁军，活捉了王彦章等人。当天，诸将纷纷向庄宗称贺。庄宗举杯对李嗣源说道：“昨天我在朝城时，诸君多劝我放弃郓州，以河为界。幸亏副总管在前面抵御敌人，崇韬在内谋划。如果听信李绍宏等人的话，大事已经完了。”
随后，庄宗与诸将商议军队的去向。诸将多说：“青州、齐州、徐州、兖州都是空城罢了，王师一到，不战就自行投降。”然而，李嗣源却劝庄宗直接攻取汴州。他认为汴州是梁军的老巢，只要攻下了汴州，梁军就会土崩瓦解。这些话都被记载在《庄宗纪》中，庄宗对李嗣源的见解非常赞赏，并给予了他嘉奖。
李嗣源得到庄宗的肯定后，立即前进。他率领着大军直奔汴州而去。庄宗也随后从中都出发，紧随其后。十月己卯日（具体日期已无法考证），天刚亮时分，李嗣源率先到达汴州。他攻打封丘门，汴将王瓒见状开门迎降。李嗣源顺利进入汴州城内，并直奔建国门而去。
当他到达建国门时，听说梁主已经去世的消息。于是，他下令安抚百姓，回军在封禅寺驻扎。辰时时分，庄宗也赶到了汴州。他在路边迎接谒见了李嗣源，两人相见甚欢。庄宗非常高兴地对李嗣源说道：“我得到天下，是靠你浴血奋战啊！应该与你共享这份荣耀。”不久之后，庄宗就晋升李嗣源为兼中书令，以示对他功绩的肯定和嘉奖。