公元757年九月丁丑日，蔡希德率领轻骑兵到上党城下挑战。程千里率领一百名骑兵打开城门，突然杀出，想要活捉蔡希德；恰逢叛军的救兵赶到，程千里只得收拢骑兵退回城中。这时城门的桥梁损坏，程千里失足掉进壕沟里，反而被蔡希德擒获。他抬头对身边的骑兵说：“我不幸落到这个地步，是天意啊！回去告诉各位将领，好好坚守城池，宁可失去主帅，也不能丢掉城池。”蔡希德继续攻城，最终还是没能攻克，便把程千里押送到洛阳。安庆绪任命程千里为特进，把他囚禁在客省之中。
郭子仪认为回纥的骑兵精锐善战，劝说肃宗多征召回纥兵力来攻打叛军。怀仁可汗派遣他的儿子叶护以及将军帝德等人，率领四千多名精锐骑兵赶到凤翔。肃宗亲自接见叶护，设宴犒劳，赏赐财物，满足他的一切要求。丁亥日，元帅广平王李俶率领朔方等镇的军队，以及回纥、西域的援军，共计十五万人，号称二十万大军，从凤翔出兵东征。李俶见到叶护后，与他结拜为兄弟，叶护十分高兴，称呼李俶为兄长。回纥军队抵达扶风时，郭子仪留他们宴饮了三天。叶护说：“国家正有危难，我们远道而来援助，哪里还顾得上吃喝！”宴会结束后，回纥军队立即启程。朝廷每天供给回纥军二百只羊、二十头牛、四十斛米。
庚子日，各路大军一同出发；壬寅日，抵达长安城西面，在香积寺北面、沣水东岸列阵。李嗣业担任前军主将，郭子仪担任中军主将，王思礼担任后军主将。叛军十万大军在官军北面列阵，李归仁出阵挑战，官军追击他，一直逼近叛军的阵地。叛军全军齐出，官军向后退却，叛军趁机猛攻，军中陷入慌乱，叛军争相奔袭官军的辎重。李嗣业说：“今天如果不豁出性命抵挡叛军，官军就会全军覆没了！”于是他袒露上身，手持长刀，站在阵前，大声呼喊着奋力冲杀。凡是被他的长刀砍中的叛军，人马都被劈成碎块。他一连斩杀了几十名叛军，官军的阵势才逐渐稳定下来。随后李嗣业率领前军将士，各持长刀，排成墙一般的队列向前推进，他身先士卒，所到之处，叛军纷纷溃败。都知兵马使王难得为了援救自己的副将，被叛军的箭射中眉心，皮肤下垂遮住了眼睛。王难得自己拔出箭，扯掉下垂的皮肤，鲜血流满了脸庞，依旧向前奋战不止。叛军在阵地东侧埋伏了精锐骑兵，想要偷袭官军的后方，官军的侦察兵发现了这个情况，朔方左厢兵马使仆固怀恩率领回纥骑兵前去攻打伏兵，几乎将叛军的伏兵全部歼灭，叛军的士气因此大落。李嗣业又与回纥军队绕道来到叛军阵地的后方，与官军主力前后夹击叛军。从午时一直打到酉时，官军斩杀叛军首级六万颗，叛军士兵填沟坠堑而死的不计其数，叛军于是大败溃逃。残余的叛军逃回长安城中，到了夜里，城中依旧喧嚣不止。
仆固怀恩对广平王李俶说：“叛军已经弃城逃走了，请允许我率领二百名骑兵追击，一定能活捉安守忠、李归仁等人。”李俶说：“将军作战已经很疲惫了，暂且休息一晚，等到明天再做打算。”仆固怀恩说：“安守忠、李归仁是叛军的猛将，他们刚刚打了胜仗却突然溃败，这是上天赐予我们的良机，怎能放过他们！如果让他们重新收拢部众，再来作乱，到时我们后悔都来不及了！打仗讲究速战速决，为什么要等到明天早上呢！”李俶坚决阻止他，让他返回营中休息。仆固怀恩坚持请求追击，他出去又回来，一夜之间往返了四五次。天快亮的时候，侦察兵回来报告，安守忠、李归仁已经和张通儒、田乾真等人逃走了。癸卯日，官军主力进入西京长安。
当初，肃宗想要尽快收复京师，与回纥约定说：“攻克长安的那天，土地和百姓都归唐朝所有，金银布帛和女子都归回纥所有。”到了官军收复长安的时候，叶护打算按约定行事。广平王李俶连忙跪在叶护的马前说：“如今我们刚刚收复西京，如果马上就对城中进行掳掠，那么东京洛阳的百姓就会为叛军拼死坚守，我们就再也无法收复东京了。希望能等到攻克东京之后，再履行约定。”叶护又惊又喜，连忙跳下马回拜，双手捧着李俶的脚说：“我愿意为殿下立刻进军东京。”随即与仆固怀恩率领回纥、西域的军队从长安城南绕行，在浐水东岸扎营。长安的百姓、官军士兵以及胡人，看到李俶下跪的场景，都流着泪说：“广平王真是汉族和异族共同的君主啊！”肃宗听说这件事后，高兴地说：“我比不上广平王啊！”李俶整顿军队进入长安城中，城中的百姓扶老携幼，夹道欢呼，有人喜极而泣。李俶留在长安，安抚百姓三天后，率领大军向东进发。肃宗任命太子少傅虢王李巨为西京留守。
甲辰日，捷报传到凤翔，文武百官入朝庆贺。肃宗泪流满面，当天就派遣宦官啖庭瑶前往蜀地，向太上皇奏报收复长安的喜讯，又命左仆射裴冕前往长安，祭告天地宗庙，并且安抚城中的百姓。
肃宗派驿马从长安召回李泌。李泌抵达凤翔后，肃宗说：“我已经上表请求太上皇返回长安，我打算回到东宫，重新尽到人子的本分。”李泌说：“那份奏表还能追回来吗？”肃宗说：“已经送出去很远了。”李泌说：“这样的话，太上皇不会回来了。”肃宗大惊，询问其中的缘故。李泌说：“这