邺城溃败后，郭子仪被召回长安闲置，肃宗任命李光弼为朔方节度使、天下兵马副元帅，主持河北、河南战事。
此时，史思明已率叛军主力南下，接连攻陷滑州、汴州，兵锋直指洛阳——这座曾是大唐东都的繁华之城，再次面临沦陷危机。
李光弼抵达洛阳时，唐军残部仅万余人，且多为邺城溃败后收拢的散兵，士气低落。
部将建议“退守潼关，凭险拒敌”，李光弼却摇头否决：“洛阳若失，叛军可直逼长安，届时人心大乱，更难收拾。
不如退守河阳，以黄河为屏障，与叛军对峙，待时机再图反击。”
河阳位于洛阳以北、黄河之畔，是连接河北与河南的交通要冲，城内储存着唐军从洛阳转移的粮草与兵器。
李光弼抵达后，立刻着手加固城防：他下令将黄河沿岸的民船尽数收缴，避免被叛军利用；在河阳南城修筑弩台，配备数百架床弩，可射杀百步外的敌军；又在北城挖掘深壕，壕外设置鹿角（尖木栅栏），形成多层防御体系。
同时，他亲自巡视军营，将自己的战马、盔甲赏赐给立功士兵，对着士兵们喊道：“叛军虽众，却多为劫掠之徒。”
“我等为保家国，何惧死战！”
士兵们见主将如此，士气渐振。
乾元二年十月，史思明亲率五万叛军抵达河阳城外，分兵三路。
一路攻南城，一路袭北城，另一路则试图强渡黄河，截断唐军粮道。
叛军先对南城发起猛攻，士兵们推着攻城车、架起云梯，在箭雨掩护下冲向城墙。
李光弼坐镇南城指挥，下令床弩齐发——床弩箭矢粗如长矛，一箭可穿透数名叛军，叛军前锋瞬间倒下一片。
见强攻无果，史思明又派部将周挚率军绕至北城，试图从侧面突破。
北城守将李抱玉是李光弼麾下猛将，他见叛军来势汹汹，却故意派人对周挚说：“我军粮草已尽，明日便献城投降。”
周挚信以为真，下令停止攻城，只派少量士兵监视。
当晚，李抱玉却率敢死队悄悄出城，在叛军大营外堆满柴草，趁夜点燃。
大火燃起时，唐军敢死队手持长刀冲入营中，叛军毫无防备，乱作一团，被斩杀数千人，周挚仅带着残部逃走。
史思明见两路攻城皆败，又下令强渡黄河。
李光弼早已在黄河岸边设下伏兵，叛军船只刚驶至河中央，唐军伏兵便点燃火船，顺流而下。
火船撞向叛军船只，瞬间火光冲天，叛军士兵或被烧死，或坠入黄河淹死，渡河计划彻底破产。
此后，唐军与叛军在河阳对峙数月。史思明多次派兵袭扰，皆被李光弼击退。
李光弼则趁机收拢周边唐军残部，兵力逐渐恢复至两万余人。
上元元年二月，李光弼见叛军粮草渐尽，下令发起反击。
他派部将仆固怀恩率军夜袭叛军粮营，烧毁叛军粮草数万石；又亲率主力从南城出击，与叛军展开决战。
叛军因粮草短缺，士气低落，抵挡不住唐军猛攻，全线溃败，史思明被迫率残部退回邺城。
河阳保卫战的胜利，虽未能彻底扭转战局，却为唐军争取了喘息之机，也暂时遏制了叛军南下的势头。
此战之后，李光弼威望大增，成为唐军对抗叛军的核心将领——但这场胜利的代价同样沉重。
河阳周边州县因战乱沦为废墟，百姓流离失所，唐军虽胜，却仍无力收复河北失地。
河阳之战后，唐军与叛军陷入短暂的对峙。
上元二年正月，肃宗李亨因急于平定叛乱，再次听信宦官鱼朝恩的谗言，强令李光弼出兵收复洛阳。
彼时，史思明已将叛军主力集结于洛阳附近的邙山，兵力达六万余人，且修筑了坚固的营垒。
李光弼认为，叛军士气虽不如前，但兵力仍占优势，且营垒坚固，不宜仓促出战，建议“先袭扰叛军粮道，待其军心涣散后再行决战”。
可鱼朝恩却以“监军”身份施压，声称“陛下令你速战速决，若再迁延，必治你罪”。
同时，鱼朝恩还暗中拉拢仆固怀恩等将领，散布“李光弼怯战”的谣言，动摇军心。
李光弼无奈，只能下令出兵。
上元二年二月，唐军与叛军在邙山展开决战。李光弼原本制定了“诱敌深入、伏兵夹击”的战术：派仆固怀恩率军出战，佯装败退，将叛军引入唐军埋伏圈；自己则率主力在侧翼待命，待叛军进入埋伏圈后，再发起猛攻。
可战斗打响后，仆固怀恩却违背军令——他因不满李光弼的节制，又受鱼朝恩暗中唆使，竟率部直接冲向叛军阵中，而非佯装败退。
叛军见唐军主动进攻，立刻展开反击，仆固怀恩所部很快陷入重围，士兵死伤惨重。
李光弼在侧翼见局势失控，急忙率主力出击，试图救援仆固怀恩，却被叛军主力缠住。
史思明见状，立刻下令叛军分兵两路：一路继续围攻李光弼主力，另一路则绕至唐军后方，突袭唐军大营。
唐军大营守军较少，很快被叛军攻破，营中粮草、兵器尽数被叛军缴获。
唐军士兵见大营被破，军心大乱，纷纷溃散。李光弼虽奋力抵抗，却无法挽回败局，只能率残部突围，逃往闻喜。
邙山之战，唐军损失近三万人，大量兵器、粮草被叛军缴获，河阳等地也再次落入叛军手中。
此战的惨败，与邺城之战如出一辙——皆因宦官干预军事、将领不和导致。
战后，鱼朝恩再次将责任推给李光弼，向肃宗诬告“李光弼指挥不力”，肃宗虽未治李光弼罪，却将其召回长安，改任李若幽为朔方节度使。