此时，李怀光方才恐惧，李晟写信公开斥责他，让他打败朱泚立功赎罪，李怀光不听，又害怕李晟的袭击，于是逃奔河中。不久，李晟兼任河中、晋绛慈隰节度使，又兼京畿、渭北、鄜坊、丹延节度招讨使。唐德宗欲西去成都，李晟却认为皇帝应留在梁汉之地，以安天下人心，李晟被加封为鄜坊、京畿、渭北、商华副元帅。当时，李晟与许多神策军将领的家属都在长安城中被朱泚当作人质，有人提起此事，李晟流泪道：“怎么能顾惜自己的家庭呢？”此外，李晟与部下一起同甘共苦，以忠义和情谊激发军心，全军始终没有怨言。
李晟领兵攻打长安通化门，叛军不敢出战，李晟集合将领们询问如何攻取长安，众将都要求先攻外城，然后扫清皇宫里的敌人。李晟却认为：“叛军若设伏兵与我巷战，居民会喧闹溃散。叛贼的精锐士兵集中在皇苑中，直接进攻这里，是挖他的心腹要害，想逃跑都来不及。”于是，从东渭桥移营到光泰门，以大军直逼都城，大败朱泚部将张庭芝、李希倩。
当时，华州军营在北边，兵力较少，叛军集中进攻，李晟率精兵前去援救，两破敌军，乘胜进入光泰门，叛军逃奔白华，叛军哭声整夜不停。次日，李晟再次出兵，众将都请求等西部军队来到再夹攻，李晟道：“叛军已经失败，应该乘胜消灭。如果等候西边的部队，这会给他们再起的机会，对我们没有好处。”于是，把全军召集到光泰门，令王佖、李演率领骑兵，史万顷率领步兵，进抵皇苑北面。
李晟派人先在夜里拆毁二百步长的皇苑围墙，作为进兵通道，等到李演等人来到时，叛军已经用栅栏堵住。李晟怒叱诸将道：“怎敢如此放纵敌人，我当先杀了你们。”史万顷害怕，率领其部众首先冲进，拔去栅栏攻入皇城，王佖带领骑兵跟随其后进击，叛军大败。官军分路前进，姚令言率领叛军仍在顽抗。李晟命令决胜军使唐良臣率领步骑兵进逼，且战且进，到了白华门，叛军有数千骑兵出现于官军的后面，李晟率领一百多骑兵回身抵御，左右的人呼喊：“相公（李晟）来了。”叛军都惊恐逃散，朱泚率领败兵逃离长安，李晟派遣兵马使田子奇追击，其余叛军相继投降。
李晟驻军在含元殿前，住在右金吾卫驻所，并命长安、万年县令，分头慰问居民，军队秋毫无犯，住在远处街坊的居民，过了一夜才知道朝廷的军队已经进城。次日，李晟屯兵安国寺，斩杀跟随朱泚叛乱的人，表彰坚贞不屈者，并要求赦免被迫从贼的人。捷报传到梁州，德宗流泪不止，群臣前来祝贺，道：“李晟荡平凶恶的叛贼，但市场摊铺没有移散，宗庙没有惊动，长安居民未受惊扰，即使是三代时用兵，也不能超过他。”皇帝说：“上天生下李晟，是国家和百姓的福分，哪里是我一人的福气呢？”封李晟为司徒，兼中书令，实封一千户。李晟派大将吴诜到宝鸡清理道路，并请求亲自去迎接和保卫皇帝车驾，德宗没有答应。
德宗从梁州回来，李晟身穿甲胄在三桥迎接皇帝，德宗停马慰劳他，李晟两次跪拜叩头，向皇帝祝贺，又道：“陛下的臣子，不能很快消灭叛贼，致使陛下两次流亡，是我不称职的罪过，请定我的死罪。”拜伏在道路的左边，德宗感动得掩面流泪，命给事中齐映扶起他，让他回到自己的位置；又赐他府宅、良田、园林等。李晟进府宅时，京兆尹设帷帐，教坊奏乐作为前导，皇帝命令将相送他回家。德宗在东渭桥为李晟立纪功碑，亲自撰写碑文，又命皇太子录下碑文副本，赐给李晟。
收复长安后，李晟考虑到泾州临近边界，且为军事重镇，然此地治理不善，多次发生兵祸，为此，他主动奏请前往泾州。于是，德宗命李晟兼凤翔、陇右、泾原节度使、行营副元帅，改封西平郡王，进驻泾州。当时，宦官尹元贞持符节巡视同州、华州，擅自到河中抚慰李怀光。李晟上表弹劾尹元贞假借皇帝命令，想为叛乱的元凶开脱罪责，请皇帝治尹元贞的罪，又认为李怀光有五个不可赦免的原因，请求率五千精兵打败叛贼。德宗刚把进攻叛贼的任务交给马燧、浑瑊，因而没有答应。
吐蕃对李晟极为畏惧，大相尚结赞对他尤为厌恨，他们认为唐朝的名将只有李晟、马燧、浑瑊三人，于是实施反间之计，派遣使者通过马燧请和，再通过会盟之际劫虏浑瑊，出卖马燧。吐蕃兴兵进犯陇州，却不掠夺，并道：“召我来，何不以牛酒犒劳？”然后慢慢退去，以此来离间李晟。李晟派王佖率精兵三千人埋伏在汧城，击破吐蕃军，几乎生擒尚结赞。不久，李晟又派野诗良辅攻占吐蕃摧沙堡。
尚结赞多次遣使求和，李晟入朝觐见，认为吐蕃不可相信，宰相韩滉支持李晟的意见，请求调发军粮供给李晟，让其攻击吐蕃。此时，德宗厌恶战争，疑心将帅生事以获取功劳，适逢韩滉去世，而执政的张延赏又与李晟不和，多次在德宗面前进行诋毁，认为不能让李晟久握兵权，并推荐刘玄佐、李抱真主持西北边事，让他们立功来压制李晟，德宗竟然采纳了张延赏的意见，削去李晟的兵权。
德宗在宣政殿召见李晟，册封他为太尉、中书令，又命他在尚书省治事。浑瑊与吐蕃在平凉会盟，果然被吐蕃劫持，而马燧也被罢免河东节度使之职。李晟去世，终年六十七岁，德宗得知后流涕不止，命百官到其府第吊唁，并追封他为太师，赠谥号忠武。李晟下葬时，德宗又亲到望春门送葬，派使者在灵车前宣读诏书，又命百官在路旁哭拜。
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