在唐军和叛军的对抗中，战争形势可谓是反反复复。往往唐军刚收复一些地方，转眼间又被叛军占领。在这样的一场拉锯战中，双方的消耗都非常大。正当形势有所好转的时候，唐肃宗在安禄山被杀以后，他盲目地认为叛乱很快就可以平定，于是，他从彭源进驻凤翔，并且命关内节度使王思礼军武功（今陕西武功西北），兵马使郭英义军东原（位于武功东），王难得军西原（位于武功西），准备进攻长安。
然而，正当肃宗部署进攻长安的时候，驻守长安的叛将安守忠，在二月十九日率军进攻武功。在唐军方面，由于郭英义交战不利，被叛军射中面颊，王思礼与诸军只好退守扶风（今陕西扶风）。叛军游兵进至大和关，去凤翔仅五十里。肃宗大骇，立即下令戒严。后因郭子仪部攻克淹关，安庆绪急令安守忠引兵去救，凤翔才没有遭到叛军攻击。肃宗也真正认识到要消灭叛军，收复两京，只有靠郭子仪了，郭子仪的朔方军成了朝廷必须倚重的主力部队。领了唐肃宗的令之后，郭子仪没有盲目进攻，而是从房瑁的失败中吸取了教训，认为要收复两京，必须先夺取潼关，攻入陕州（今河南陕县），击溃潼、陕之间的叛军，截断叛军的后路，然后才能直取长安。由于郭子仪的分析正确，唐肃宗十分赞赏，于是命令唐军按照郭子仪的军事部署行进。随后，郭子仪领兵直趋潼关，打败了叛军守将崔乾祐，一举夺取潼关，收复了陕州（今河南陕县）、蒲州（今山西永济），清除了进攻长安的障碍，并截断了长安叛军的退路。经过半年多的积极备战和连续几场胜仗，唐军的军事实力得到很大的加强。至德二年（757）四月，郭子仪率军由凤翔东进，准备攻取长安。在击败叛军李归仁的铁骑后，又遭到了叛军安守忠等的伏击，只得退守武功（今陕西武功）。同年九月，求胜心切的唐肃宗任命其子广平王李俶为天下兵马大元帅，郭子仪为副元帅，率军十五万进攻长安，并以“克城之日，土地士庶归唐，金帛女子皆归回纥”的条件，向回纥借骑兵四千前来助战。
十一月，郭子仪联合回纥击败了欲进攻灵武的叛军将领阿史那从礼等，歼敌三万余人，俘虏一万人，重创叛军，消除了朔方的后顾之忧，保卫了战时的统治中心灵武的安全。同月，唐肃宗任命郭子仪为司空、天下兵马副元帅，授以平定叛军，收复两京的重任，并命他率兵速赴凤翔待命。虽然很多谋臣都不太赞成唐肃宗的做法，但是看到唐肃宗一直不容反驳，所以在多次的劝谏无效的情况下，大臣和将领们都遵循了唐肃宗的安排。
随后，郭子仪乘胜追击，并且留下河东太守马承光守河东，自率诸军西上。然而，在途中他们又被叛将李归仁率铁骑五千拦击于三原（今陕西三原东北）北。郭子仪命部将仆固怀恩、王仲畀、浑释之、李若幽各领兵埋伏在自渠留运桥（今陕西三原东南）旁，并且佯装逃跑。李归仁一看这种阵势，心中大喜，于是就率部来追。当行至唐军的埋伏圈的时候，唐军伏兵齐出，将其铁骑全歼，李归仁跳入盘渠，泅水而逃。随后，郭子仪又继续前进，当进至长安西面的西渭桥，与王思礼部会师后，进屯涌水（今涌海）西岸，紧逼长安。叛将安守忠、李归仁率军扎营于长安西门外的清渠北侧，与郭子仪军对峙。两军相持七日后，安守忠伪装后退，郭子仪不知有诈，率全军追击，结果陷入安守忠的长蛇阵。安守忠率兵四千为蛇头，从延平门杀来，安太清率兵四千为蛇尾，从金光门杀来，又有一支敌军从正中冲击，叛军首尾呼应，前后夹击。唐军大败，丢弃军资器械无数。郭子仪收拾败兵，退保武功，自己只身赴凤翔请罪。然而，由于当时朝廷正是用人之际，而且他也是有功之臣，于是唐肃宗未给他任何处分，而是授他为尚书左仆射。唐肃宗决计大举进攻长安，二月二十三日，唐肃宗宴招待诸将，一一慰勉。他恳切地对郭子仪说：“功成与否，在此一举，愿卿竭忠尽智，不负朕望。”郭子仪斩钉截铁地回答说：“此行如若不能取胜，臣当以死谢罪！”
郭子仪这次吸取了初战失利的教训，加强了部队的纵深防御。他自己率领中军，李嗣业为前军，王思礼为后军，浩浩荡荡直奔长安西香积寺附近，在香积寺以北安营扎寨，与安守忠、李归仁和张通儒率领的十万叛军对阵。叛将李归仁出阵挑战，唐前军迎击，战不多时，李归仁佯败后退。唐军紧追不舍，快要逼近敌阵时，不意叛军摇动战鼓，一齐冲杀上来，唐军阻拦不住，自相惊乱，往本营后退，叛军趁势追击，争抢前军辎重。李嗣业在后督战，见部下溃退，立即扬鞭策马，飞奔阵前，高喊：“叛军已经把我们包围，若不奋勇厮杀，只有死路一条！”说罢，他脱去战袍，光着膀子，举起闪闪发光的长刀，拼命向叛军杀去，刀光过处，叛军人头纷纷落地，连杀数十人之后，唐军才稳住了阵脚。于是，他率领前军，各执长刀，列成横队，如墙推进，杀入敌阵，所向披靡。当时都知兵马使王难得被叛军射中眉骨，垂下的眼皮遮住了眼睛，他拔出箭，扯下眼皮，血流满面，仍奋勇杀敌。郭子仪经过和叛军的几次交战，知道叛军多诈，交战之前就派出侦骑四出搜索，果然发现叛军埋伏精锐骑兵于阵东，准备袭击唐军侧后。他立即命令仆固怀恩率领回纥兵出击，将叛军伏兵一举歼灭。接着仆固怀恩又率回纥兵迂回至叛军阵后。郭子仪乘胜率领大军从正面出击，李嗣业所率前军与仆固怀恩所率回纥骑兵从叛军阵后杀回，前后夹击，叛军腹背受敌，然而叛军并没有被这种阵势吓到，也没有放弃抵抗，进行殊死抵抗。在战场上，双方展开了激烈的白刃战，从中午一直厮杀到傍晚，最终唐军大败叛军。这次战斗中，唐军歼敌六万多人，生擒两万余人，叛军残兵败将狼狈逃回城内。
唐军取得了初步的胜利，郭子仪手下的战将仆固怀恩认为机不可失，建议连夜攻城，彻底消灭贼首以及城内的所有叛军，以免他们羽翼丰满，再生后患。有了这个想法，仆固怀恩数次请求大元帅李傲，要求带兵前去进入城内追杀穷敌。但李傲以部队疲劳为由拒绝了他的请战要求。驻守长安的叛军首领张通儒与叛军将领安守忠，李归仁、田乾真等趁夜逃离长安，唐军丧失了乘胜歼敌的良机。第二天，唐军进入长安城。被叛军占领一年零四个月的都城长安终于光复了。老百姓听说唐军回来，都喜出望外，夹道欢迎，有的甚至喜极而泣地说：“想不到今天又见到了官军。”纷纷杀鸡宰羊，抬出美酒欢迎唐军。肃宗在凤翔听到捷报，群臣称贺。长安收复后，肃宗由灵武迁回长安。元帅李傲在长安停留了几天才率领大军向洛阳进军。郭子仪率部追击叛军至潼关，歼敌五千余人。又克华阴（治今陕西华县）、弘农（治今河南灵宝）郡。王难得率兴平军攻取武关，克复上洛郡（治今陕西商县）。张通儒等收集残部，退保陕州。驻守洛阳的叛军守将安庆绪听说唐军前来攻城，慌忙派大将庄严、张通儒带领十五万大军前去陕州增援，企图在此阻止唐军东进，以确保洛阳的安全。
十月十五日，广平王李俶与郭子仪率大军进至弘农郡东十几里的曲沃城。郭子仪率军继续前进，与叛军相遇于陕州之西的新店。叛军在新店（河南省郏县西）与唐军相遇。新店地势险要，易守难攻。而叛军更是依山扎营，居高临下，形势对唐军非常不利。郭子仪为了化劣势为优势，趁叛军立足未稳，选派两千名英勇善战的骑兵，向敌营冲杀过去，又派了一千名弓箭手埋伏山下，再令协助作战的回纥军从背后登山偷袭，自己则亲率主力与叛军正面交战。一切部署完毕，唐军立即擂鼓出战。叛军从山上猛冲下来。郭子仪佯装败退，边战边走。叛军大喜，倾巢出动。这时，突然杀声如雷，一千名唐军埋伏的弓箭手像神兵一般从天而降，万箭齐发，无数的箭镞像雨点一样射向敌群。而此时，李嗣业率领的回纥兵也从山后杀了出来，叛军在漫天的尘土中看到猛冲过来的回纥兵，大惊失色，阵脚大乱。郭子仪乘势杀了个回马枪。叛军前后被围，左右挨打，进退无门。正在这时，又听到四处高喊：“回纥兵来了”赶快放下武器投降吧！在唐军和回纥军的合击之下，叛军被打得溃不成军。死伤的士兵连道路都给堵塞了。严庄、张通儒等连陕州城也不敢进了，落荒东逃。广平王李俶与郭子仪进入陕州城，命仆固怀恩等分道追击叛军。
庄严、张通儒拼死才逃回洛阳，向安庆绪建议：“三十六计走为上。”安庆绪见严庄败回，惊惶不安，仅率精骑三百，步兵近千人，于十六日夜，离开洛阳，渡过黄河，逃往邺城（今河南安阳）。十月十八日，唐军收复东京洛阳。十月二十一日，郭子仪命右武锋使浑释之率兵攻取河阳（今河南孟县南）、河内。庄严见大势已去，投降唐军。陈留（今河南开封）军民闻官军收复两京，杀死叛将尹子奇，举郡归唐。正在围攻颍川（今河南许昌市）的叛将田承嗣，也派人前来请降。郭子仪还未来得及收降，田承嗣又与围攻南阳的叛将武令王甸一起逃往河北。到了这个时候，河东、河南诸郡县相继光复。唐肃宗在凤翔接到光复长安的捷报，顿时悲喜交加，泪流满面，当即派宦官入蜀奏呈太上皇唐玄宗。自从安史之乱以来，这也许是最好的消息了。收复了两京，对李唐王朝而言，它的重要性不言而喻。此时的唐肃宗也终于感觉到恢复唐室更有希望了。平静下来之后，当他再次接到唐军陕州大捷的奏报时，他便率领百官由凤翔回到长安，并迎唐玄宗回朝。十一月，郭子仪从洛阳班师回长安朝见唐肃宗，郭子仪凯旋，肃宗十分高兴，并且派仪仗队到霸上（今西安市东）迎接。唐肃宗见了郭子仪，盛赞他说：“大唐虽然是我李家的天下，实际上是由你再造啊！”
至此，被叛军先后占领的大唐的都城长安和洛阳，终于又回到了李家，然而，这些胜利付出的代价也是非常之大的。虽然唐军已经收复了两京，找回了当朝的基业，但是，战争还没有结束，叛军的势力依然对唐军有着很大的威胁，随后的战争依然是非常的残酷和曲折。