九月二十七日，唐軍進抵長安西郊的香積寺，以河西節度副使李嗣業領前軍，郭子儀領中軍，關中節度使王思禮領後軍。同日，燕將安守忠、李歸仁也率十萬大軍在香積寺以北擺開了陣勢。
這是自安史之亂爆發以來，唐、燕兩軍規模最大的一次會戰。
這場戰役將決定長安的命運，也將決定帝國的命運。
燕將李歸仁率先出陣挑戰，唐軍的前鋒部隊迎擊，將其擊退，旋即挺進燕軍陣地。燕軍全軍出動，很快逼退了唐軍，並直撲唐軍的輜重部隊。唐軍陣腳大亂，紛紛向後潰退。前鋒主將李嗣業對左右時：“今日若不以身擋賊，我們就全完了！”隨即脫掉鎧甲，赤裸上身，躍馬橫刀立於陣前，厲聲命令士兵們不許撤退。可在燕軍淩厲的攻勢之下，士卒們還是爭先恐後地往後跑。李嗣業大怒，揮舞長刀左砍右劈，將那些逃兵連人帶馬砍得血肉橫飛，一連砍翻了數十人，總算穩住了陣腳。
隨後，李嗣業重新集合前軍部眾，命他們結成長刀陣，橫向排開，如牆而進。而且，李嗣業還帶著前軍的所有將領衝在士卒前麵，率先殺進了燕軍軍陣。
在主將身先士卒的激勵之下，唐軍士氣大振，戰場上的形勢隨之逆轉，燕軍開始節節後退。
在這場決定帝國命運的戰役中，不僅是李嗣業這種勇冠三軍的猛將表現出了一貫的英勇，就連半年前在武功不戰而逃的唐將王難得也拿出了難得的勇氣。混戰中，他為了救一個身陷重圍的副將，被燕軍一箭射中眉骨。王難得狠狠把箭拔掉，結果皮開肉綻，額頭上的一塊皮還垂下來遮住了眼睛。王難得大怒，幹脆把皮也撕了，帶著滿臉鮮血，仍舊奮勇拚殺，一直往前突進。
兩軍開戰前，安守忠知道自己的兵力比唐軍少，便在戰場東麵埋伏了一支精銳，準備趁雙方激戰正酣時，再出其不意，繞到唐軍背後突襲。唐軍斥候偵察到了這支伏兵，立刻稟報中軍主將郭子儀。郭子儀即命左廂兵馬使仆固懷恩帶上一支回紇騎兵，直撲燕軍埋伏之處，迅速將這支伏兵殲滅。
得知伏兵全軍覆沒的消息後，燕軍士氣頓時大挫。李嗣業乘勢與回紇兵團一起迂回到敵軍陣後，阻斷了燕軍的退路，與郭子儀的中軍對燕軍形成了前後夾擊。
至此，燕軍終於全線崩潰。
這一仗，從午時（中午十二時）一直打到了酉時（下午六點），燕軍一共被斬首六萬餘級，跌入溝塹被壓死和踩死的也不計其數；唐軍大獲全勝。
安守忠和李歸仁帶著殘部逃回長安後，自知長安必失，於是當天夜裏便與燕朝西京留守張通儒、京兆尹田乾真等人棄城而走，一口氣逃到了陝郡（今河南三門峽市）。
至德二載九月二十八日，唐軍浩浩蕩蕩地開入城中，宣布了長安的光複。
自去年六月燕將孫孝哲入據長安，迄今共一年三個月。
廣平王李俶帶著大軍進入長安時，受到了老百姓的夾道歡迎。他看見每個人的臉上都掛滿了淚水，那是劫後餘生、悲喜交加的淚水。
長安光複了，而兌現諾言的時刻也到了。
“克城之日，土地、士庶歸唐，金帛、子女皆歸回紇！”
麵對夾道歡迎的百姓，廣平王李俶的臉上一直懸掛著一個和煦的笑容，可他心裏卻像灌了鉛一樣沉重。從李俶踏入長安的那一刻起，他心裏就不停地響起父皇李亨向回紇鄭重作出的這句承諾。
怎麼辦？要不要兌現諾言？
當初為了得到回紇之援，當然可以不顧一切地許諾，可眼下，假如真的兌現承諾，長安百姓必然又要遭受一場可怕的浩劫。倘若如此，長安百姓還會擁戴父皇李亨嗎？還會承認這個在靈武自行即位的新皇帝嗎？如果奪回了京城，卻失去了民心，那麼李唐朝廷日後還能理直氣壯地號令天下嗎？
可是，倘若違背諾言，唐軍在接下來的平叛戰爭中不但不能得到回紇援手，反而會因此結怨於回紇。眼下洛陽未克，偽燕朝未滅，豈能又在自己背後樹立一個新的強敵？
最後，左右為難的李俶終於想到了一個兩全其美的辦法。
雖然這個辦法不能從根本上解決問題，但至少可以讓李俶暫時擺脫這種兩難困境。
當回紇王子葉護麵帶微笑地來到李俶麵前，婉轉地要求他兌現承諾的時候，李俶立即翻身下馬，向葉護納頭便拜，說：“現在剛剛克複西京，如果遽然劫掠金帛子女，恐怕東京洛陽的人心都會倒向叛軍，並且替叛軍固守城池，使我們難以攻克。所以，我希望等到克複東京後，再向貴軍兌現承諾。”
葉護一見廣平王向他施以大禮，慌忙下馬回拜，說：“願從殿下之言。”