至德二載（757年）閏八月二十三日戊辰，肅宗在鳳翔犒賞三軍，準備發起攻勢，收復長安。這是唐軍第三次對長安用兵。與以往不同，此次參戰的部隊除了已經同叛軍交過手的朔方軍和關內道部隊外，還有萬里入援的安西、北庭部隊，以及漠北的回紇，西域的大食、拔汗那、于闐，西南的南詔等諸國援軍。肅宗動用了所有可以調動的資源，力圖一舉拿下長安，徹底扭轉戰局。
一、安西入援
時間回到至德元載（756年）秋八月，位於天山以南的安西節度接到朝廷一道指令——立即派出本部兵馬往關內道扶風郡（後改為鳳翔郡）集結，準備平息安祿山叛亂。接令後，節度使梁宰有些猶豫，不知是否要依令行事。
梁宰的猶豫事出有因。在此之前，安西節度已經接到肅宗即位的大赦文，知道玄宗已經退位，太子李亨登基，大赦天下，大唐進入至德時代。在行禮如儀，謝完新帝天恩浩蕩、澤被四海之後，梁宰感到一絲不安——這次新帝即位有些不尋常！梁宰的不安並非源自神秘的第六感，而是基於大唐政治生活的常識：怎麼沒見老皇帝發聲，新皇帝就自顧自宣佈登基了？要知道，即便是壽終正寢的老皇帝，也會在賓天之際發遺詔，宣稱自己將要告別人世，將大位交給某位繼承人。同樣的，選擇生前退位的玄宗更要發佈詔令，宣佈退位，將大位交給太子李亨。這是一道必須的手續。當然，肅宗在即位大赦文中也說了，“聖皇久厭天位，思傳眇身，軍興之初，已有成命。”但是，沒用，這話必須要玄宗自己說才算數。關於這一點，肅宗當然比誰都清楚，所以一登基，就馬上派員赴成都，向玄宗通報自立為帝情況，爭取玄宗的追認。當安西節度接到朝廷出兵指令的時候，肅宗方面派出的官員很可能已經抵達成都，玄宗宣佈退位，退位詔書剛剛在發往全國的路上。而此時梁宰雖然不知道其中的內幕，但已經多多少少猜出來朝廷出事了，新皇帝的上臺有蹊蹺。在此局勢不明朗之際，是否依令出兵，梁宰拿不準，就找副使李嗣業商議。兩人合計了半天，都認為派兵進入關中事關重大，貿然行事風險巨大，不如先緩一緩，看局勢如何發展再作決定。梁宰離開後，一旁的一位軍官說話了：
“天子告急，作為臣子的怎能坦然安坐不去救援！特進（李嗣業的散官）怎麼能因流言而違背了君臣之道！”
說這話的是綏德府果毅段秀實，官位雖然不高，但為人非常正直，李嗣業一向對其言聽計從。段秀實的話點醒了李嗣業：只要調兵的命令是真的，依令行事就是了，其他的不是臣子所應當考慮的。在這個時候，最忌諱的就是首鼠兩端。於是李嗣業立即去找梁宰，要求帶兵入援。有李嗣業自告奮勇，梁宰當然求之不得，當即批准，李嗣業遂率步騎五千，以段秀實為副手，東向入援。
後來朝廷再次調兵，這時朝廷局勢已經明朗，沒有顧慮的安西行軍司馬李棲筠迅速發精兵七千，“勵忠義而遣之。”
安西節度轄區內的地方政權于闐國也出兵入援。國王尉遲勝將國事交給其弟尉遲矅打理，自率勝兵五千入援，肅宗非常高興，授尉遲勝為特進，兼殿中監。
二、北庭入援
位於天山以北的北庭節度也收到了調兵的指令。率軍入援的是名將馬璘。據《舊唐書 列傳第一百二》記，馬璘，扶風人。少年時遊手好閒，不事產業。開元末，仗劍從軍，效力於安西節度，前後以軍功累遷至左金吾衛將軍同正。代宗時期官至宰相的常袞所撰的《故四鎮北庭行營節度使扶風郡王贈司徒馬公神道碑銘》（《馬璘神道碑文》）中，對馬璘服役的地點有不同的說法：
初奮厥武，車師戎府。鐵馬蛇矛，大黃白羽。天山瀚海，噴薄風雨。驍騎三千，披荊竭主。
“車師戎府”，是指位於古車師國境內的節度幕府。古車師國分前後兩部，車師前部位於西州（今吐魯番交河），車師後部位於庭州（今新疆吉木薩爾）。西州、庭州皆為北庭節度使轄區，其中庭州為北庭節度使駐地所在。“天山瀚海”，天山為天山軍、瀚海為瀚海軍，兩軍均屬北庭節度下轄部隊，與“車師戎府”正好呼應。
西州的交河故城
另外，在近年出土的同為常袞所撰的《大唐故四鎮北庭行營節度兼涇原潁鄭等節度觀察使尚書左僕射扶風郡王贈司徒馬府君墓誌銘》（《馬璘墓誌》）中，關於馬璘的從軍經歷記道：
年廿二，杖劍西遊，橫絕大漠，抵二庭之極塞，收萬里之奇功。
唐代語境中，“二庭”指代的就是北庭節度。考慮到常袞為馬璘同時代人，而且是奉敕撰寫的馬璘碑文，權威性非常高，因此可以得出結論：馬璘是在北庭節度從軍，並且很可能一直在北庭效力。
馬璘墓誌
關於北庭出兵的數額，《舊唐書 列傳第一百二》記 “至德初，王室多難，璘統甲士三千，自二庭赴於鳳翔。”傳世的《馬璘神道碑文》記，“初公自二庭統甲士三千，赴鳳翔行在，遂陳滅胡之策。”兩處史料給的數據一致，很可能舊唐書是沿用了馬璘神道碑文的說法。但在《馬璘墓誌》中卻有不同的記載：
公受命戎帥，誓勤王家，與西州士大夫暨諸蕃君長涉烏戈、徑赤庭，由隴及岐，視險如砥，躬擐甲胃，手捧兵符，獻於行宮，凡（眾？）數萬以二，先皇穆然垂意，特以良將器之。
按照馬璘墓誌的記載，馬璘所率的北庭援軍有一萬二千之眾，比舊唐書及馬璘神道碑文上講的三千眾要多許多。有意思的是，《馬璘神道碑文》《馬璘墓誌》同為常袞所撰，而所載出兵員額數據差異卻這麼大，很難讓人相信這是無心之失，究其原因，最有可能是出於保密的考慮：神道碑立於墓的外面，上面的文字人人都能看到，將出兵數額講少，可以掩蓋北庭節度兵力大部被調走的軍事機密；而墓誌埋在墓的裡面，無人看到，大可以寫出北庭出兵的真實數字。
安西節度管兵二萬四千，北庭節度管兵二萬，唐室此次調兵入援，二鎮的精兵猛將悉數被調到內地，所餘兵將僅能自守。
安西、北庭部隊入援路線
這一年秋天，李嗣業、馬璘分別帶領萬千安西、北庭健兒離開駐地，挾著獵獵西風，穿越戈壁沙漠，開始了東向入援的征程。這一去竟是與西域故土的永訣！天山南北的安西和北庭，在後來唐朝失去河西走廊以後，成為孤懸異域的一塊飛地，不斷被異族蠶食，終至陷落。這些入關平叛的軍人們，將在以後的日子裡征戰不息、命如轉蓬、無處可歸。
三、周邊援軍
肅宗還派出使節翻越蔥嶺，遠赴位於中亞的藩屬國拔汗那國（今吉爾吉斯斯坦費爾干納）徵兵入援，並通過拔汗那國給中亞諸國傳話，許以重賞，請它們派兵助唐平叛。拔汗那果然不辱使命，請來了大食國的援軍。
唐與大食的關係比較複雜。早在天寶十載（751年），唐與大食聯軍在怛羅斯（今哈薩克斯坦塔拉茲）打過一仗，唐朝聯軍大敗。這次大食派兵入援，說明兩國關係並沒有因為怛羅斯戰事受到根本性的影響。實際上，在怛羅斯之戰的第二年，黑衣大食就有兩批使節來朝；第三年，有四批黑衣大食使節來朝，貢獻良馬等方物，唐朝向來訪酋長授以中郎將官職、賜以官服等。由此可以看出，無論大唐還是大食，都有意淡化怛羅斯之戰的負面影響。這種處理方式是兩國西域戰略的必然選擇。具體講，兩國在西域並不存在根本性的地緣衝突，對於唐朝來說，它著力維護對蔥嶺以東地區的絕對控制，對於蔥嶺以西中亞地區並無太大興趣。大食也無意越過蔥嶺侵入唐土。不僅如此，兩國都對蔥嶺以南奴隸制軍事帝國吐蕃對西域地區咄咄逼人的軍事滲入充滿警惕，而唐朝作為吐蕃最為強勁的對手，突然爆發的內亂會削弱自身在西域的軍事存在，使得吐蕃的軍事滲入變得更加不可控，進而破壞這一地區脆弱的戰略平衡，危及大食在中亞的戰略安全。這當然不是大食所願意面對的。基於以上現實考量，大食很願意派出援兵，助唐儘快平息內亂。
唐代的胡人
在助唐平叛的聯軍序列裡，還有南詔人的身影。這一時期的南詔臣服於吐蕃，與唐的關係比較緊張。就在至德元載九月，南詔乘唐室內亂，攻陷了唐越巂郡會同軍（今四川會理縣北），佔領了清溪關（今四川漢源西南）。在南詔人立於766年（唐代宗大曆元年）的《南詔德化碑》中，詳細記載了這次入侵的前後經過:
五年（756年，至德元載），范陽節度使安祿山竊據河、洛，開元帝出居江、劍。贊普差御史贊郎羅於恙結齎勅書曰：“樹德務滋長，去惡務除本。越巂、會同謀多在我，圖之此為美也。”詔恭承上命，卽遣大軍將洪光乘、杜羅盛、段附克、趙附於望、羅遷、王遷、羅奉、清平官趙佺鄧等，統細於藩從昆明路，及宰相倚祥葉樂、節度尚檢贊同伐越巂。詔親帥太子藩圍逼會同。越巂固拒被僇，會同請降無害。子女玉帛，百里塞途，牛羊積儲，一月館穀。
從記載中可以得知，這次入侵唐朝是南詔應宗主國吐蕃之命，與其聯合進行的一次作戰行動。但從此次南詔派兵助唐平叛可以看出，南詔與吐蕃的關係並非固若磐石，南詔並不想完全倒向吐蕃，如果有可能，南詔還是很願意與唐建立比較友好的關係。對於這一意願，唐室自然心知肚明，所以在後來收復京師的戰役中，雖然南詔軍沒有出彩的表現，但在隨後以肅宗名義發佈的慶祝文告中，唐朝還專門提到了南詔：
廣平王俶，受委元帥，能振天聲。左僕射子儀，決勝無前，克成大業。復有回紇葉護，及雲南（指南詔）子弟，並諸蕃兵馬等，皆竭誠向化，力戰賈勇，事同破竹，易若摧枯。
與南詔為表達政治姿態象徵性的出兵不同，回紇的出兵是基於唐室真實的作戰需求。清渠之戰失敗後，郭子儀敏銳地發現唐軍與長安叛軍戰力差距的命門所在：叛軍的騎兵極為強大，其所擁有的機動性使其在戰場上可以採取更為靈活的戰術，在關鍵節點對唐軍實施打擊。要剋制叛軍的騎兵，最有效的方式就是配置更為強大的騎兵。而唐軍顯然在短期內無法實現這一目標。於是，擁有強大騎兵的回紇部隊就進入郭子儀的視野，遂向肅宗建議向回紇請兵，肅宗同意。這一任務又落到敦煌王李承寀的身上。上一次出使回紇，回紇葛勒可汗將其女許配給承寀，這一次出使，除了請兵之外，承寀還要迎娶回紇公主。九月，李承寀帶著回紇公主出使歸來，一同抵達鳳翔的，有回紇太子葉護、將軍帝德，以及麾下四千精兵。肅宗大喜，親自接見葉護太子，並大擺筵宴，為回紇將士接風洗塵。酒酣耳熱之際，肅宗作出了事後後悔不已的一項承諾：
克城之日，土地、士庶歸唐，金帛、子女皆歸回紇。
元帥廣平王李俶與回紇葉護太子一見如故，提議二人結為兄弟，葉護太子大喜，稱李俶為兄。
九月下旬，唐軍完成所有作戰準備，大戰已箭在弦上。
四、鏖戰香積寺
朔方軍、安西北庭等部隊及回紇、大食、南詔等國援軍在鳳翔會師，總兵力約二十萬。九月二十四日己亥，百官在鳳翔行宮為出征將士送行，元帥李俶答拜。舉行完儀式，李俶走出行宮，上馬，在禁衛軍的護衛下出徵。隨後，唐軍各部陸續離開營地，向長安開進。
回紇部隊到達扶風，副元帥郭子儀擺筵接待，安排每日給回紇部隊供應羊二百隻、牛二十頭、米四十斛。
唐朝軍人
九月二十五日庚子，唐軍各部全部出發，向戰場開進。部隊沿渭水北岸東行，由興平西南龍光渡渡過渭水後繼續東行。過澇水時，前鋒部隊與叛軍襲擾部隊相遇，元帥先鋒討擊使論惟貞率隊驅散叛軍，掩護主力安全渡河。
唐軍行軍路線
九月二十七日壬寅，唐軍開進到灃水以東、香積寺西北的預設戰場。這片戰場位於長安城西南、終南山以北，陣地前方地形平坦、視野開闊，西側是南北流向的賀蘭渠和灃水，足以為部隊左翼提供屏護，東側有一道不太高的由終南山方向延伸過來的土塬——神禾原，原下人工水道縱橫，林木茂密，地形比較複雜。
太陽已經升得很高，天空萬里無雲，秋天的上午空氣乾爽，幅員數十里的曠野上，煙塵騰起，唐軍陣地旗幡飄舞、戰鼓隆隆、戰馬嘶鳴，大隊的步兵和騎兵穿著閃亮的盔甲、舉著明晃晃刀槍，列著縱隊往北推進。正前方，十萬叛軍已列好隊形，嚴陣以待。
距離叛軍數里，唐軍排出三梯隊長陣。李嗣業率安西、北庭等部隊為前軍，郭子儀率朔方軍等部隊為中軍，王思禮率關內節度等部隊為後軍，朔方軍左廂兵馬使僕固懷恩帶本部騎兵與回紇騎兵作為機動部隊。
香積寺之戰態勢圖
叛將李歸仁率隊前出挑戰，李嗣業的前軍隨即發起攻擊，將李歸仁部趕出戰場，並攻擊正面迎來的叛軍本隊。叛軍大隊陣列堅重，唐軍數次衝擊，敵陣巋然不動。唐軍氣勢稍有減退，雙方僵持，長兵大盾互有攻防。叛軍陣中突然鼓聲大作，陣列開始往前推進，箭如雨下、刀槍如林，李嗣業前軍抵擋不住，隊伍散亂，往後退卻，叛軍乘機搶奪唐軍丟下的輜重。李嗣業見狀大驚，大吼：
“今日不以身餌賊，軍無孑遺矣！”
然後脫掉甲冑，裸著上身，手持陌刀，立於陣前，大呼奮擊，被砍中者，人馬俱碎，殺了數十叛軍，才穩住陣腳。前軍迅速整隊，恢復陣線，李嗣業一馬當先，率領將士各持陌刀，如牆而進，勢不可擋，突前的戰鋒隊生生將叛軍陣形正面撕開一個缺口，後續的唐軍一下從缺口擁入。叛軍拼死想把缺口堵住，但面對如潮的唐軍，一時很難達到目的。戰鬥中，都知兵馬使王難得去救自己的部將，被箭射中眼眉，肉皮垂下，將眼遮住。王難得將箭拔出，撕掉肉皮，滿臉是血仍死戰不退。
叛軍將騎兵埋伏在戰場東側，想要伏擊官軍側後。這是叛軍慣有的戰術，唐軍以前吃虧不少，這次早有預案。偵察分隊在戰鬥打響後就在翼側仔細搜索，果然發現伏兵。僕固懷恩立即帶回紇騎兵趕了過去，將這一部叛軍消滅。這是這場戰役的關鍵，叛軍見伏兵已被消滅，士氣一下低落下去。
李嗣業前軍不斷擴大叛軍防線上的突破口，將叛軍陣形突貫到底，從叛軍後側殺出一條血路。回紇騎兵消滅完伏兵，也繞到了叛軍陣形側後，與李嗣業前軍合為一處，兩軍反身從側後方攻擊叛軍。二線朔方軍組成的中軍也壓了上來，與前軍對叛軍形成夾擊，叛軍陣型大亂，隨即崩潰。
兵敗如山倒。
戰鬥從午時持續到酉時，唐軍斬首六萬級，戰場上溝平壑滿，全都是叛軍死屍。叛軍大敗，餘眾逃回長安城。
入夜，長安城中亂成一團，喧囂不止，僕固懷恩向廣平王李俶請戰：“賊要逃了，請準我率二百騎兵追擊，捉拿安守忠、李歸仁等賊首。”
李俶說：“將軍作戰疲憊，暫且休息，待到明日再作計議。”
懷恩說：“歸仁、守忠，全是百戰驍將，屢次勝我，今日血戰，方被擊敗，為何輕易放走！若其收合餘眾，捲土重來，必為大患，到時將悔之不及！兵貴神速，如何要等到明日！”李俶堅決止住懷恩，讓他還營休息。
懷恩多次找李俶要求出戰，去了又回來，一晚上跑了四五次，都沒有得到允准。天快亮的時候，諜報人員報告，賊首安守忠、李歸仁、張通儒、田幹真已經棄城逃跑。
九月二十八日癸卯，大軍進入西京長安。
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