李亨征调李嗣业回来，诏书一到李嗣业就率军上路，并和众将割破手臂起誓说：“我们路过的地方，一定要秋毫无犯，甚至一草一木都不能毁坏。”
到达凤翔后，拜见唐肃宗，唐肃宗高兴地说：“现在有你统兵，胜过有几万军队。
讨贼能否成功，全靠你们了。”
于是，下诏命李嗣业和郭子仪、仆固怀恩配合行动，李嗣业常常担任先锋，用大棒挥击敌军，叛军遇到他必败，可谓是所向无敌，后升任四镇、伊西、北庭行军兵马使。
长安、洛阳还未收复，而唐肃宗身在凤翔，李嗣业跟随广平王李豫前往收复长安，当时李嗣业率领前军，郭子仪率领中军，王思礼率领后军。
大军到达长安城西后，在香积寺北面沣水东岸结成阵列，十万叛军在北面列阵，叛军将领李归仁率领精锐骑兵出阵挑战，唐军用箭射退他们后派骑兵出击，逼近叛军阵中，叛军一齐前进，唐军退却，叛军乘机突进，唐军惊乱，阵形混乱。
这时李嗣业对郭子仪说：“今天如果我们不拼死力战，全军就会彻底溃败。”
于是，就袒露上身，手执长刀，立于阵前，大声呼喊，奋勇杀敌，被李嗣业的刀砍中的敌人人马都碎裂了，李嗣业接连杀死数十人，唐军的阵形又恢复严整。
然后李嗣业率领前军两千步兵各持长刀、长柄斧，排成横队，如墙向前推进，李嗣业身先士卒，唐军所向披靡。
李归仁埋伏精兵于阵地东面，想要从后面袭击唐军，但被唐军侦察发觉，元帅广平王李豫派朔方左厢兵马使仆固怀恩率领回纥精兵袭击叛军伏兵，李嗣业到叛军背后夹击叛军，叛军伏兵被全部消灭。
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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