攻破魏州后两天，在魏州城北设坛祭天，自称“大圣周王”，任命周贽为行军司马。李光弼此时提议与朔方军联兵进逼魏州，使史思明不敢出战，之后再收复邺城，安庆绪一旦被消灭，史思明也会随之失势，而观军容使鱼朝恩却认为此计不可行，因之作罢。唐军包围邺城后，堵塞漳水灌城围困，从冬到春，城中粮尽，然而安庆绪拼死顽抗，固而久攻不下，各路官军无统一指挥，军卒疲困，士气低迷。
史思明见状果断出兵，距邺城五十里扎营，挑选精锐骑兵，日夜袭扰城下，又派出死士伪装官军，妄杀运粮将士，焚夺粮饷物资，神出鬼没，聚散无常，致使唐军粮草匮乏，人心涣散。史思明见时机成熟，遂引兵直抵城下，与唐军约期会战。唐军步骑近六十万在安阳河北岸列阵，史思明亲自率精兵五万来敌，诸军望见后以为只是游军，未加注意，史思明指挥军队奋力冲杀，李光弼、王思礼、许叔冀与鲁炅领兵迎战，死伤各半。后方的郭子仪尚未布阵，忽然间天气突变，狂发大起，飞沙走石，咫尺之间，人马莫辨，两军大惊，叛军向北溃退，唐军此时斗志全无，也向南大规模溃散，丢弃的甲仗辎重堆积于路，史思明派周贽追击，被退守河阳的郭子仪击退。
史思明得知官军败退后，整顿兵马，驻于邺城城南，安庆绪获得郭子仪营中数万石粮食，于是与孙孝哲、崔乾祐等谋划闭门抗拒史思明，诸将不从。而史思明则每日犒赏士卒，既不追击官军，也不与安庆绪通信，张通儒、高尚等人对安庆绪说：“史王远来救援，我们都应该去迎谢。”安庆绪没有阻拦。史思明与他们见面时涕泗横流，重加礼赏后又放回城中，其后又请安太清劝诱安庆绪出城。安庆绪不知所措，只好派安太清向史思明上表称臣，等待史思明解甲入城后，奉上皇帝印玺。史思明览表后说：“何必要这样呢！”于是回信道：“愿作兄弟邻国，互为表里，鼎足而立。称臣之事，万不敢接受。”安庆绪大喜过望，请求与史思明歃血结盟，史思明同意。
安庆绪率三百骑来到史思明营中，史思明命令手下军士全副武装，然后引安庆绪等人进入大帐，安庆绪叩头再拜说：“作为臣下我治军无方，丧失东西二京，久陷重围，没想到大王看在太上皇的情份上，远来救危，使我得以复生，恩深如海，终生难报。”史思明忽然大怒说：“丢失两京，何足挂齿！你身为人子，杀父篡位，天地不容，我要为太上皇讨伐你这个逆贼，岂能被你的谄媚虚辞欺骗！”下令推出斩首，安庆绪以目示意周贽，望其说情，周贽说：“安庆绪做过君王，理应赐死。”于是，将安庆绪连同四个弟弟缢死，又诛杀了高尚、孙孝哲、崔乾祐等人，随后史思明整军入邺城，击杀安庆绪亲军三千三百多人，吞并了安庆绪的兵马与地盘，派安太清率兵五千攻取怀州，又将史朝义留下镇守相州，自己率兵返回范阳。
史思明自称大燕应天皇帝，改元顺天，立其妻辛氏为皇后，史朝义为怀王，以周贽为宰相，李归仁为大将军，改范阳为燕京。让小儿子史朝清留守幽州，以阿史那承庆、张通儒、向贡、高鞫仁等人辅佐，令各郡太守各率三千兵集结帐下，兵分四路入寇河南诸州郡：先遣令狐彰部五千人由黎阳渡河，直取滑州，史思明自领中军自濮阳，史朝义自白皋渡，周贽自胡良渡渡过黄河，会师于汴州城下。
汴滑节度使许叔冀不能抵挡，与濮州刺史董秦一同投降，史思明任命许叔冀为中书令，让李归仁和他同守汴州，史思明很看重董秦，拍抚他的后背道：“我原先好比只有左手，如今得到你，右手也有了！”又命部将南德信率领汴州降卒南略江淮，约定“一旦成功，每人可取两大船装运赀财。”陈留守将田神功假意投诚，寻即袭杀南德信，统领其众复归于唐。史思明乘胜向西攻克郑州，李光弼下令将洛阳官民迁入潼关，率两万众退保河阳三城，坚壁清野。史思明进入已是空城的洛阳，一无所获，于是把城中寺院佛像搜括一空，送回幽州，又将自己在洛阳的旧宅大加扩饰，定名为“龙兴寺”。
史思明与李光弼会战于河阳，派骁将刘龙仙到城下大骂挑战，李光弼帐下裨将白孝德策马出战，一举将其擒杀，叛军大骇。史思明军中多有良马，每日在河南岸沙洲上洗浴，李光弼挑选军中母马，一齐放至河岸嘶鸣，引得对岸一千余匹战马纷纷渡河来追，尽为李光弼所得。史思明愤恨不已，列战船百艘，以火船为先，欲烧毁浮桥，切断三城间通路，李光弼早有防备，用百尺长杆，头装铁叉，阻碍火船前进，又于浮桥上发射炮石，叛军战船多被击毁。
史思明无计可施，转而进攻河清，欲断绝李光弼粮道，李光弼进驻野水渡防御，史思明认为李光弼善于守城，而短于野战，因之亟欲趁此机会将其生擒。不料李光弼留兵千人固守此地，当夜即返回河阳，叛军骁将李日越、高庭晖因不堪史思明严命，相继投降唐军。史思明大怒，决定全力进攻河阳三城。李抱玉镇守河阳南城，以缓兵之计诓骗叛军，又出奇兵夹袭，叛军伤亡甚重。董秦见状，率部众五百人夜里突围，投奔李光弼。史思明命周贽领安太清、徐璜玉等部，攻河阳中潭城，自己继续进攻南城，中潭城守将荔非元礼率敢死队出栅奋击，叛军披靡。周贽转攻河阳北中城，战至中午，未分胜负。李光弼见叛军阵容不整，命郝廷玉、论惟贞以精骑驰突敌阵，麾指诸军齐进，呼声动地。周贽大败而逃，叛军死两千余人，徐璜玉被郝廷玉生擒，安太清奔回怀州，史思明正猛攻南城，见李光弼将五百多俘虏驱赶到河岸上，只好解围撤兵。
史思明派李归仁领精骑五千进攻陕州，于礓子阪被卫伯玉所带数百骑击败，董秦则改名李忠臣，于永宁、莎栅之间屡挫叛军。李光弼进攻怀州，史思明出兵相救，在沁水河上交战，叛军被击杀三千多人。史思明再度进攻河阳三城，以解怀州之围，却败于城西渚滩，又损失一千五百余人，只得退回洛阳。不久，李光弼收复怀州，安太清投降，田神功又袭破叛军于郑州，滑州刺史令狐彰亦脱身投唐，史思明处境愈加窘迫。
刘展之乱爆发，江淮动荡，史思明乘势大举出击，遣田承嗣将兵五千转掠淮西各州，薛萼将兵五千攻曹州，王同芝将兵三千人攻陈州，许敬釭将兵二千人攻兖州、郓州，但被唐将能元皓、李忠臣、王仲升等部阻截，未取得显著战果。
观军容使鱼朝恩听信传言，以为叛军将士思乡心切，一战可定，不断怂恿唐肃宗出兵，于是肃宗令李光弼等人收复东京洛阳，李光弼上奏说：“贼军士气未衰，不可轻举冒进。”仆固怀恩暗中惧恨李光弼，也附合鱼朝恩的意见，督促李光弼出师的中使不断。李光弼迫不得已，留李抱玉镇守河阳，自己与仆固怀恩率军会合鱼朝恩及神策军使卫伯玉，联兵进攻洛阳。
唐军抵达洛阳城北，李光弼指示诸军结营应依托险要地形，仆固怀恩不听，于平原地带布阵，史思明一面命令部卒在城郊林中委弃财物、佯装溃逃，另一边于北邙山中设下埋伏。唐军军阵尚未完成，不少将士贪图钱物，毫无防备，争先入城劫掠。史思明见状发兵掩杀，唐军大败，战死数千人，损失大批军资器械。李光弼、仆固怀恩渡河退保闻喜，鱼朝恩、卫伯玉撤回陕州，李抱玉也弃守河阳三城，叛军复夺怀州，朝廷震怖，调集重兵驻守陕州。
史思明击败了老对手李光弼，意气扬扬，想乘胜西进入关，遂以史朝义为前锋，自北道进击陕城，史思明亲率大军自福昌出发，由南道进攻。史朝义行军至礓子阪，遭到卫伯玉的阻击，屡战屡败，退守永宁，史思明闻报大骂：“这小子终究成就不了我的大事！”将史朝义、骆悦、蔡文景、许季常等人召来痛斥一顿，并称要杀掉他们以立军威。其后，史思明命令史朝义修筑三角城用以囤粮，限期一天修完。城已筑好，未及泥抹外墙，史思明巡视到此，见状大怒，把史朝义、骆悦等大将召至面前大肆秽骂。史朝义战战兢兢，哀求说：“兵士们太乏累，歇一歇就上泥。”史思明喝斥道：“你爱惜属下，就敢违我的旨意吗！”立马城下，目视兵士上泥，顷刻间完成。临走时，史思明瞪着史朝义大骂：“等我拿下陕州，当晚就斩了这家贼！”史朝义听闻，忧惧异常。
史朝义常随史思明带兵，为人谦恭，爱惜士卒，深得众心，但史思明更偏爱小儿子史朝清，派他留守范阳，时常有杀掉史朝义，立史朝清为太子的念头。史思明驻扎在鹿桥驿，由心腹曹将军值宿警卫，史朝义的部将骆悦、蔡文景劝史朝义说：“现今我等已死到临头，自古以来就有废立君王之事，不如召见曹将军，共商大事。”史朝义低头不答。骆悦等人又说：“您若不忍心的话，我等只得投归唐廷，不能再侍奉您了。”史朝义思虑再三，点头应诺。
于是，骆悦等人派许叔冀的儿子许季常召来曹将军，曹将军得知此事，恐怕祸及自身，不敢拒绝。是日傍晚，骆悦等率领史朝义亲兵三百人，全副武装来到鹿桥驿，宿卫兵士惧怕曹将军，因而未加拦阻。此时，史思明因梦惊醒，正据床惆怅，他平时喜欢听优伶讲笑话解闷，吃饭睡觉都不离左右。但由于他为人残忍，杀戮为常，这些伶人心中也十分恨他。见他惊起，几人忙问原因，史思明说：“我刚刚梦见河里的沙洲上有群鹿涉水而至，鹿死水干。”说罢起身如厕，几个戏子偷偷说：“鹿者，禄也；水者，命也，此胡命禄都到头了。”
片刻后，骆悦等人提刀闯入，质问史思明去向，未及回答，已杀数人，伶人们连忙指向厕间。史思明闻变，翻墙来到马厩，准备驾马逃跑，骆悦的侍从周子俊发箭，射中手臂，史思明坠马被擒。史思明问：“谁在作乱？”骆悦回答：“奉怀王的命令。”史思明老奸巨猾，喊着史朝义的小名，哀求道：“不要杀我，我死不足惜，但不想让你沾染上杀父之名啊。”又悔恨道：“我早上说错了话，理应得此下场，不过你们为何如此急躁，等到了长安再杀我也不迟啊，今天你们废掉我，大业也成不了了。”转脸看到曹将军，又大怒骂道：“这胡贼误我，我哪里对不起你，竟做出此等大逆之事。”随后，史思明被骆悦等人押送至柳泉驿。
史朝义心惊胆颤，见到骆悦等人复命，还连问：“没有惊动圣人吧？没有伤着圣人吧？”诸将回答说“没有”。周贽、许叔冀率领后军驻扎在福昌，骆悦等人派许季常前去通告此事，周贽惊倒在地，史思明刚被送到柳泉驿，骆悦等人害怕众心不一，于是立即动手，勒死了史思明，用毡毯裹尸，由骆驼运回洛阳，史思明得年五十九岁。
史思明与安禄山发动的“安史之乱”，沉重的打击了唐朝的统治，自此兴盛一时的李唐王朝，逐步没落，虽然安禄山、史思明只折腾了七八年，但使中原动荡，千万生命死于军乱。与之而来的藩镇割据、宦官专政以及党争之祸，最终把赫赫盛唐推上了不归之路。
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