昭宗天複二年（公元902年）正月，朱溫帶兵回到三原，後又移兵武功，準備再次進攻鳳翔。突然探馬來報，李嗣昭、周德威帶領晉軍進攻慈州和隰州。不久又報慈州、隰州失守，晉兵進逼晉州和絳州。朱溫馬上派兄子朱友寧會同晉州刺史氏叔琮去迎擊李嗣昭。李嗣昭攻下了絳州，可是不久又被汴軍將領康懷英奪了回去。李嗣昭在蒲縣紮營，汴軍十萬在蒲南為營。氏叔琮夜半帶兵攻擊晉軍營壘，並派兵截斷晉軍歸路，大敗河東軍，消滅晉軍一萬多人。
二月，昭宗任命韋貽範為工部侍郎，同平章事，並派出給事中嚴龜充岐、汴協和使勸朱溫和李茂貞雙方罷兵，並賜朱溫姓李，使朱溫和李茂貞結為兄弟，朱溫不同意，不奉旨。可是李茂貞堅守不戰，朱溫短時間也沒辦法。這時接到戰報，知道河東軍進攻晉、絳，於是回師河中，再到晉州，先去對付李克用的軍馬了。
三月，氏叔琮、朱友寧再次攻打李嗣昭、周德威，汴軍橫陳十裏人數眾多，而河東軍不過數萬，士兵都非常懼怕。周德威出戰失敗，於是就讓李嗣昭先退，他帶領騎兵殿後。汴軍隨後追擊，李克用的另一個兒子李廷鸞跑得慢，被汴軍捉住，成為了俘虜。朱溫傳下命令，讓氏叔琮、朱友寧乘勝進攻河東。
李克用接報李嗣昭戰敗，馬上派李存信帶兵增援。李存信在清源遇到汴軍，見汴軍勢大，連忙逃回晉陽，汴軍複取慈、隰、汾三州。
三月十五日汴軍開到晉陽城下，在晉祠安下大營，急攻晉陽西門。這時雖然李嗣昭、周德威收集潰兵已經回到晉陽，但晉陽守軍仍是準備不足，李克用隻得親自上城防禦，經常飯都吃不上。而氏叔琮卻不穿鎧甲，在攻城隊伍後溜溜達達指揮，不把晉軍放在眼裏。
李克用守城飯不得吃覺不得睡，有點撐不住了。他召集眾將開會，商議要放棄晉陽退保雲州。李嗣昭、李嗣源、周德威都不主張撤退，他們說：“有兒子們在這裏，一定能守住晉陽，父王不要做撤退的打算，免得動搖軍心。”隻有李存信主張撤退，他說：“關東、河北已經被朱溫征服，我們兵少地窄，困守孤城。如果敵人在城外築壘挖溝包圍城池，那時候我們飛都飛不出去。不如暫時退入北方少數民族地區，然後再徐圖進取。”李嗣昭不同意李存信的意見，兩人不免爭論起來，李克用不能做出決定。朱溫後堂有位張氏夫人經常為朱溫出主意，李克用後宮也有位劉氏夫人很有智謀。李克用回到後堂，劉夫人就對李克用說：“李存信隻不過是一個北川的牧羊兒，怎能有遠慮。大王常常嘲笑王行瑜輕易逃出城，被人所殺，今天怎麼反而要去學他呢？而且昔日大王屈居韃靼，差點把命都丟了。現在朝廷多事，我們才回到中原。目前大王一腳邁出城去，則禍福難料，塞外之地還能到嗎？”這樣李克用才又下定了守城的決心。
過了幾日，上次戰鬥中打散的將士又都回到了晉陽，李克用的弟弟忻州刺史李克寧也帶兵來到晉陽。李克寧態度非常堅決，他說：“我要死守晉陽，哪兒都不去。”軍心於是安定下來。
朱溫見一時打不下晉陽城，於是自己就帶領中軍回了河中。他還命令朱友寧帶走一部分人馬再去攻打李茂貞，軍隊移駐興平與武功之間。這下河東軍有了回手的機會，李嗣昭、李嗣源等將領頻頻出動夜襲氏叔琮大營，殺人放火，汴軍不堪其擾。這時汴軍中又傳染起疫病，氏叔琮隻好撤軍。
聽到汴軍撤兵的消息，李嗣昭、周德威帶兵追擊，一直把汴軍追到石會關。氏叔琮在石會關山上布置了一些馬匹及不少的軍旗作為疑兵，李嗣昭等怕中埋伏，這才退兵。回兵又收複了慈、隰、汾三州。雖然李克用保住了晉陽（太原），但經過這次與朱溫的交鋒感到自己的兵力財力都不如朱溫，他聽從了掌書記李襲吉和兒子李存勖的建議，在他治理的疆域內禁止胡漢軍隊剽掠百姓，實行法政和仁政。在數年中不再與朱溫爭鋒，韜光養晦，致力於增強國力。李存勖是李克用的寵妃曹氏所生，而他的正室劉氏沒有生養，自從曹氏有了存勖，劉氏更厚待曹氏。李克用認為劉氏很賢惠，於是就把教養兒子的任務都交與了劉氏。李存勖從小就聰明勇敢，很得李克用和劉氏的歡心。
四月份，崔胤從華州來到河中見朱溫。他在朱溫麵前大哭，仍是勸朱溫盡快發兵去討伐李茂貞，他對朱溫說，如果不去迎駕恐怕李茂貞會劫持聖駕去蜀地。朱溫舉行宴會歡迎崔胤，崔胤還親自打擊樂器為朱溫侑酒。