五月初，浑瑊、李晟两大勤王集团，分别在长安东、西两个方向完成集结，并做好了进攻前各项准备，只待一声令下。
五月二十日，晨！
李晟兵团在东渭桥营地组织了盛大的开战动员，千军万马整齐列阵，盔明甲亮士气高昂，李晟在慷慨激昂的的宣布发兵长安后，派人将抓获的叛军间谍押上来，指着他们说：“回去告诉城内众贼，我们马上就到，让他们努力防守，千万不要做出不忠于逆贼的事来！”
之后让他们饱餐一顿，全部放归长安。
李晟率领兵马，在长安城通化门外耀武扬威列阵而过，城内守军个个吓的战战兢兢，哪里还有人敢出来接战。
关于夺取长安的具体打法，众将领大多倾向于“自南向北、先外后内、逐一攻占”的方式，即从南门突破防御，进入外围坊市，再逐步向北推进收复皇宫。
李晟认为长安街道坊市过于逼仄，与叛军打“巷战”容易引发城中市民骚乱，且费时费力伤亡较大，还会损毁城内各类设施。不如集中兵力直接向北苑皇宫发起进攻，这里是叛军腹心所在，一旦被我夺占，势必全军崩溃。
众将纷纷点头认可，李晟遂安排幕僚起草下发作战文书，命令浑瑊、骆元光、尚可孤各自从驻地向长安进发。
五月二十二日，尚可孤在蓝田西侧（距长安百里）击败并斩杀叛将仇敬忠。
五月二十五日，李晟从东渭桥进至长安光泰门（长安东南）米仓村，派兵修筑防御工事。
五月二十六日，李晟亲临一线，视察工事进展，朱泚骁将张庭芝、李希倩突率骑兵偷袭。李晟冷静的对身边将领说：“起初我只担心逆贼会闭城不出，现在他们主动前来，这是上天助我，机不可失！”
李晟麾下“华州营”部署在北侧，兵力较为薄弱，叛军向此处发起猛烈冲锋。李晟派牙将李演率军增援，双方经过一番激烈厮杀，叛军渐感不支向城内溃逃。唐军乘胜进击，直接冲入光泰门，与叛军在城门附近交锋再次取胜。怎奈天色已晚，李晟担心部下有失鸣金收兵，叛军残部得以逃入白华门（长安北）。
夜半时分，绝望的叛军士卒在城内哀嚎痛哭，声音响彻四周！
五月二十七日，李晟决意向长安发起总攻！
将领们都劝他待浑瑊的西部兵团到达再行攻打，胜算可能更大。他说：“叛军数次被我击败已如惊弓之鸟，不在此时乘胜攻取，反要等着他们缓下神来加固防御，这不是上好策略。”
随即指挥军队在一天内与叛军交战数次，均获胜利。骆元光也在浐水以西击败了叛军。
五月二十八日，李晟在光泰门外列阵，让将领史万顷率步兵开路，李演、王佖带骑兵随后跟进，向皇宫所在地北苑发起猛攻。
李晟提前让人趁夜在城墙上挖出了一道百余米宽的缺口，但当他们赶到时，缺口已被叛军发现并用木栅堵住。叛军隔着木栅刺射格挡拼命做困兽斗，唐军进攻受阻一时竟奈何不得。
李晟喝斥史万顷：“你若再敢纵容逆贼，我先把你斩了！”
史万顷惊愤交加，带着众人不要命的冲击前进，终于将木栅全部拔毁，彻底扫清了外围障碍，王佖、李演得以率领骑兵从缺口内冲杀入城。
其他方向各路唐军也相继突破入城攻击前进，叛将姚令言仍率部拼死力战，与入城的唐军胶着在一起厮杀翻滚。
关键时刻，大将唐良臣统领由精锐步、骑兵混合编组的预备队投入战斗，叛军渐感不支向后退却。唐军进至白华门，数千叛军突然出现在唐军身后，李晟带领百余骑兵正准备掉头防御，左右将士大声呼喝：“李将军来了，李将军来了！”叛军惊慌失措，立时溃散无踪。
之前，朱泚曾派张光晟带五千人驻防九曲，距李晟驻地东渭桥仅有十余里之隔，李晟与他秘通书信，说服他归顺大唐。待朱泚兵败，张光晟力劝朱泚弃城逃走，朱泚便与姚令言带万余残部向西撤离，张光晟随即向李晟请降。
李晟指派兵马使田子奇追击朱泚，他则屯兵于含元殿，在大殿西侧右金吾卫处休息办公。
等到各路唐军开进长安，李晟为了防止士卒趁乱劫掠百姓，发布命令告示全军：“经全军将士浴血奋斗，现已扫平乱贼克复京师。长安沦陷已久，百姓如果再次受到惊扰，就会失去朝廷吊民伐罪的本意。李晟与诸位的家人都在城中居住，五天内任何人不准与家人相见，待城内秩序恢复再行安排。”
命令下达后，李晟一边安排京兆尹李齐运带所属官员在城内安抚百姓，一边委派亲信将领巡城警戒。中唐时期唐军军纪已堕，烧杀抢掠更是习以为常。李晟接连抓获并处死了数名违纪将士，城内这才安定下来。
当天，浑瑊、韩游瓌的西部兵团收复咸阳，听到朱泚出逃，分别领兵拦截。
五月二十九日，李晟分派兵力，命令京西兵马使孟涉驻守城北白华门，尚可孤驻守城南望仙门，骆元光驻守长安以东通化门外章敬寺，李晟亲率三千精锐驻守位于长乐坊内的安国寺。 将在战斗中擒获的叛军将领李希倩、敬釭、彭偃等八人于闹市斩首，李希倩是淮西叛藩李希烈的胞弟。