朱溫投降了唐軍，又作了河中行營招討副使，自然就跟隨王重榮參加了對黃巢起義軍的戰鬥。雖然有了朱溫帶領軍隊的參加，王重榮仍是感到要打敗大齊軍兵力還是不夠。他請行營監軍楊複光飲酒，席間他對楊複光說：“不與黃巢軍作戰，對不起國家。而要去討賊，兵力又不足，怎麼辦？”楊複光回答道：“雁門李撲射，驍勇，手下兵強馬壯，我父親與他父親曾經共事為官，關係不錯。他也有為國效力的想法，所以不能來參戰是因為與河東結下了怨。如果以朝廷的名義通知鄭從讜，征召李克用，他必然會發兵參戰，李克用若能發兵討賊，必可平滅巢賊。”當時王鐸也在河中，王重榮和楊複光就把他們的想法告訴了王鐸。王鐸分別以唐朝廷的名義，給李克用和鄭從讜寫了信，說明征召李克用入京勤王。公元882年十一月，李克用帶領沙陀軍向長安進發。路過太原，李克用不敢入太原境，而在城下與鄭從讜告別。鄭從讜知道李克用是去長安打仗，也送給他幾匹名馬，一些器材錢款。
李克用雖然有一隻眼是好眼，另一隻眼是瞎的，但是他作戰非常勇敢，人稱“獨眼龍”。他帶領的沙陀兵都穿黑衣服，作戰也都十分英勇，可以以一當十，被稱為“鴉兒軍”。大齊軍隊非常忌憚這些沙陀軍隊，紛紛傳說：“鴉兒軍來了，當避其鋒。”黃巢知道李克用的弟弟李克讓是被南山寺僧人殺死的，於是他派人捉十幾個僧人，派使者帶著金銀禮物送到李克用大營，想說服李克用不要和大齊作對。李克用殺了南山寺僧，把金銀分發給將士，撕碎了黃巢的書信，趕走了來使，帶兵來到同州前敵。
中和三年（公元883年），春正月，李克用大將李存貞在沙苑（陝西大荔南洛水與渭水之間）打了一個勝仗。擊敗了黃巢的弟弟黃揆，李克用進駐沙苑。王鐸承製封李克用為東北麵行營都統，楊複光為東麵都統監軍使，陳景思為北麵都統監軍使。正在這時皇帝下詔封王鐸為義成節度使，並命令他赴鎮，把他調離了前線。這原來是大太監田令孜說了他的壞話，他說王鐸討黃巢無功，用楊複光的計策，招來沙陀兵，才能擊敗黃巢。田令孜說這話是為了取悅楊複光。
中和三年，二月李克用進兵乾幹坑，與河中、易定軍、忠武軍會合。第二天便與尚讓帶領的十五萬大齊軍在梁田陂打了一場大仗。李克用帶領四萬身穿黑衣的“鴉兒軍”衝鋒在
前，王重榮、朱溫在左，周岌、楊複光在右，猛烈攻擊大齊軍隊。戰鬥從中午開始一直打到晚上，尚讓帶領的大齊軍終於支持不住了，敗下陣去。這一仗大齊軍戰死和被俘的士兵有數萬人，黃巢的軍事力量被大大地消耗掉了。但是戰鬥中，大齊派去攻擊華州的軍隊卻取得了勝利。黃巢的大將王璠和黃揆趕走了占據華州的王遇，襲占了華州。李克用立刻進兵包圍了華州。黃揆、黃思鄴固守華州，李克用分兵進駐渭北。
公元883年三月，僖宗封朱全忠（朱溫）為宣武軍節度使，等到攻下長安就可赴鎮。
黃巢連吃敗仗，軍中無糧，士兵都在餓著肚子打仗。黃巢知道長安快要守不住了，於是派兵扼守藍田，以便退出長安後從藍田道進入河南。他還派尚讓帶兵去救華州，結果在零口遭遇李克用和王重榮的軍隊，被打敗。援軍不到，華州是守不住了，黃揆帶領殘兵敗將棄城而逃，退回了長安。
中和三年（公元883年），四月，李克用同忠武軍將領龐從、河中軍將領白誌遷引軍先進，與黃巢軍在渭南大戰。李克用一日三戰三捷，其他各鎮兵馬接著跟進，黃巢的軍兵紛紛逃跑，兵敗如山倒。
公元883年農曆四月初八，李克用帶兵由光泰門進入長安，黃巢軍抵擋不住，焚燒長安宮室，逃出長安。黃巢經蘭田，進入商洛山中。他們一麵逃跑，一麵把金銀珠寶撒在路上，官軍撿拾珠寶，不再急追大齊兵，黃巢及諸將才得以逃脫。官軍進入長安和強盜一樣，燒殺搶掠，長安再一次遭到嚴重破壞。