乾元三年六月，郭子仪被迫出兵与史思明决战，但史思明并不急于与唐军大战，而是不断抛出小股弱旅诱引唐军，同时步步后退，将战线逐渐拉到洛阳之北的北邙山下，这里伏有史朝义留守洛阳的八万精兵，这时郭子仪再次向李亨上书，李月也急遣使向李亨指出史思明的企图，不可与之决战，但李亨此时已被不断的胜利冲昏了头脑，根本听不进任何人的劝告，强令郭子仪与史思明决战，否则兵法从事。
为最大程度上减少唐军的损失，郭子仪终于领十五万大军及五万回纥军在洛阳北的北邙山下与史思明进行了决战，此时史思明一改不断示弱的姿态，先命李归仁率五万骑兵断唐军的后路，又命史朝义为后军，自己亲率二十万精锐在一个月黑之夜主动向唐军发动了猛攻。唐军的后军正是仆固怀恩及五万回纥军，仆固怀恩见敌将李归仁猛攻己军，气势锐不可挡，他这才终于明白过来，在愧疚之下，他亲自率领儿子仆固炀上阵杀敌，拼死抵挡叛军铁骑的冲击。在前阵，尽管有左军大将左伯玉、右军大将辛云京及前军大将李国臣这样的名将，但由于唐军兵力比叛军少四成，以及士兵的战力和士气均不及对手，在苦战近四个时辰，天快亮之际，胜利的天平终于倾向了史思明，郭子仪见唐军败势已现，立刻命令左伯玉军和辛云京军一齐前去支援后军，在唐军的优势兵力面前，李归仁终于抵挡不住，率军逃去。郭子仪见后路已通，遂下严令，命李国臣率三万唐军，拼死也要挡住史思明大军，掩护主力的撤退。
乾元三年八月，唐军在洛阳以北被叛军击败，由于李国臣率三万军的拼死阻挡，唐军主力八万人终于逃脱，但三万殿后之军全军覆没，大将李国臣也壮烈殉国。郭子仪退兵至太原，闻李国臣战死，心中哀痛不已，遂上书向李亨请罪。李亨赦郭子仪无罪，下诏自责，并追封李国臣为潞国公，汾阳大都督，荫其长子为官。就在唐军在洛阳大败之际，东线和南线却同时传来捷报，李光弼得来王真与田神功的援军在徐州大败能元皓，夺兖州，接着又在泰山附近再败能元皓纠集的七万军，连续克青州、莱州、齐州，最后能元皓在魏州向唐军投降，山东全境被李光弼光复。在南线，李月军在淮水经过半年的拉锯战，终于一举歼灭李璘的近二十万大军，李璘兵败逃回金陵，李月趁胜追击，淮西的田神功倒戈，浙东的尚衡、殷仲卿先后起义，后李月又在江宁收李璘的水军，李璘突然暴毙，李月大军随即压到，李璘手下的伪官纷纷作鸟兽散，各自逃亡，自此李璘谋逆之举彻底败亡，江南一地尽被李月占领。李月遂派大将荔非元礼领兵北上，直取睢阳，史思明闻东线巨变，立刻停止攻打太原，派大将骆悦率领八万军开赴陈留，抵挡李月，又命范阳节度使李怀仙领兵五万至沧州一线阻挡李光弼北上，自己返回了洛阳，留李归仁在河东继续作战。
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