朱溫兵不血刃拿下河中，誌得意滿，正在與眾將慶功之時，突然接到大梁軍報說是張氏夫人病危，不禁愕然，急命傳令中軍急速返回大梁。這張氏夫人知書達理，是朱溫的賢內助，也為朱溫闖天下出過不少好主意，因此朱溫對她是既愛且敬，聽說張氏病重，自然是急忙趕回家中。
朱溫回到家中，不料張氏笑盈盈轉出後堂，毫無病容。朱溫疑惑不解，張氏這才向朱溫說明了情況。張氏嫁給朱溫不久就勸丈夫歸順了唐朝廷，因此她知道王重榮對朱溫的恩情。她怕朱溫一怒之下殺了王珂，被天下人指為不義，這才設法裝病，喚回朱溫囑咐他一定要恩待王珂。朱溫表麵答應張氏，並稱讚張氏賢明，可心中卻不以為然，後來還是派刺客將王珂殺死在去長安的路上。
朱溫占領了河中對皇帝昭宗震動不小，他害怕朱溫再乘勝攻打河東，於是就發詔書要求李克用與朱溫兩方和解。李克用也感到朱溫這時兵強馬壯，暫時不宜與汴軍再戰，於是就派出使者帶著禮物和李克用的親筆書信到洛陽去和朱溫和談。使者見到朱溫獻上李克用書信及禮單，朱溫展開書信一看便麵露不悅之色。隻見信中寫道：“公雖有十萬雄兵臨境，克用北邊也有五部烈馬強兵，一旦開戰，勝敗難料，徒使生靈塗炭。”書中一句未提河東攻占澤州之事。朱溫見書信言辭倨傲，打定主意要與李克用大戰一場，隻有打敗了李克用才能實現他獨霸中原的誌向。
昭宗天複元年（公元901年）三月，農曆二十一日，朱溫派遣六路大軍浩浩蕩蕩去攻打李克用。 氏叔琮帶領五萬人馬越過太行山，經過天井關，進攻昂車（在山西武鄉縣東北七十裏稱為昂車關）。魏博都將張文恭由磁州新口而入山西；葛從周帶領兗、鄆軍會同成德軍由土門進軍；洺州刺史張歸厚由馬嶺進軍；義武節度使王處直由飛狐進軍；暫代晉州刺史侯言率領慈、隰、晉、絳兵馬從陰地關殺入山西。三月二十九日，沁州（今屬山西長治市）刺史蔡訓獻城投降；河東都將蓋璋向侯言投降，朱溫就命他權為沁州刺史。三十日，氏叔琮攻克澤州（今屬山西晉城市），刺史李存璋棄城而逃。氏叔琮進攻潞州（今山西長治市），昭義節度使孟遷投降。河東駐軍李審建、王周率領一萬步兵壹千騎兵向氏叔琮投降，氏叔琮帶領汴軍向晉陽城攻擊前進。四月初三，氏叔琮出石會關，在洞渦驛（在太原城南30裏許）紮營。洺州刺史張歸厚率領軍隊到達遼州（今山西左權縣），四月初五，遼州刺史張鄂歸降。別將白奉國會同成德軍四月初七也自井陘關攻入，攻克了承天軍。不久與氏叔琮會師太原城外。
正在朱溫在太原城下大戰到時候，皇帝昭宗李曄拜謁太廟，宣布改元，大赦天下，將光化年號改為天複年號，公元901年就成了天複元年。並為在朝廷動亂中死去的王涯等十七家平反昭雪。
氏叔琮帶領汴軍在太原城下數次向李克用挑戰，太原城內一片恐慌。李克用見汴軍來勢洶洶，也不敢貿然出戰，親自上城督戰。當時正值天降大雨，數日不晴，城牆有不少處坍塌，李克用立即命士兵修補，有時連飯也來不及吃。
晉軍大將李嗣昭、李嗣源則由城中挖暗道出城，趁夜晚偷襲汴軍營壘，每次襲擊對汴軍都有殺傷斬獲，但仍不能扭轉被動的戰局。由於連日大雨，道路泥濘，汴軍數十萬軍隊糧草補給發生困難，而雁門都知兵馬使李存進又帶領另外一支兵馬殺到，在洞渦驛殺敗了汴軍。形勢開始發生了有利於晉軍的變化。朱溫見糧草不繼，而士兵有不少染上時疫，五月份命令撤軍。晉軍將領周德威、李嗣昭帶領五千騎兵追殺汴軍，汴軍損失不小。由於汾州刺史李塘投降了汴軍，李克用命李存審攻打汾州，三日而下，擒斬了李塘。氏叔琮帶兵由石會關退回河北，諸鎮兵馬也都退回了原駐地。昭義節度使孟遷，被汴軍帶離路州，全家遷往大梁。朱溫命令丁會去守潞州。
經過這次戰役，朱溫雖然沒有攻下太原，但大大打擊了河東李克用的勢力，確立了在河中的統治。他上表給朝廷，借河中官民的名義向昭宗要求兼任河中的統帥。朝廷任命朱溫為宣武、宣義、天平、護國四鎮節度使。
李克用見汴軍撤退，哪肯就這樣罷休，派出李嗣昭、周德威出陰地關去攻隰州和慈州。隰州汴軍刺史唐禮和慈州刺史張瑰又都歸降了李克用。
六月朱溫又來到河中，他請原唐廷宰相張濬撰寫了《恩公故河中節度使王重榮碑文》，帶領河中眾文武官員到虞鄉王重榮墓前立碑祭奠。又上表朝廷任命王重榮之子王瓚為河中軍節度判官，助理河中政務。還上表朝廷任命孟遷為河陽節度使，丁會為昭義節度使。