黃巢失敗後，秦宗權稱帝，攻占陝（今三門峽市西）、洛（今洛陽）、懷（今沁陽）、孟（今孟縣南）、唐（今唐河）、許（今許昌）、汝、鄭（今均屬河南）等州，成為朱溫西麵的強大對手。朱溫兵少，便一方麵派朱珍到淄州（今山東臨淄南）、青州等地募兵，另一方麵又向兗州（今均屬山東）朱瑾、鄆州（今東平西北）朱瑄求援，先後擊敗恃眾輕敵的秦宗權的部將。汴州北邊孝村一戰，秦宗權大敗而逃，其各地守將也紛紛動搖，秦氏勢力開始衰落。西部的威脅剛一減輕，朱溫就於光啟三年（887年）九月，“誣瑄招誘宣武軍士，移書誚讓”，朱瑄恨其恩將仇報，“複書不遜”。朱溫就命朱珍、葛從周襲占曹州（今曹縣西北），在劉橋（今菏澤東北）大敗兗、鄆軍，朱瑾、朱瑄僅以身免。唐廷任朱溫兼淮南節度使、東南麵招討使，但既受到已占據淮南的楊行密的抵製，又受到占據徐州（今屬江蘇）地區的感化節度使時溥的阻撓。於是朱溫與楊、時之間的交惡也趨公開。
文德元年（888年），朱溫被任為蔡州四麵行營都統，取代時溥指揮各路兵馬對秦宗權的圍攻。這年三月，唐僖宗病死，其弟李曄繼位，是為昭宗。朱溫在新舊皇帝更迭時期，乘機擴大了個人的勢力，並不急於進攻蔡州。他一麵派朱珍渡河北上，插手魏博兵變，從救援樂從訓演變為與斬殺樂從訓的羅弘信集團修好，建立黃河以北東部地區的同盟據點；另一麵又派丁會、葛從周等北上河陽救援受李克用部攻擊的張全義，建立黃河以北西部地區抗擊河東集團的橋頭堡。為加速解決蔡州問題，五月，昭宗加朱溫檢校侍中，增食邑3000戶。恰在這時秦宗權集團的趙德諲舉山南東道降於朱溫。朱溫就乘機加緊對秦宗權的圍攻。八月，攻破蔡州南城。不久，秦宗權被部將扣押送交朱溫。
龍紀元年（889年）二月，秦宗權被押送到長安處死，朱溫晉封為東平郡王並加檢校太尉兼中書令。朱溫平蔡後，解除了西麵的後顧之憂，便集中兵力對付東麵的時溥和朱瑄兄弟。大順元年（890年）四月，宿州（今屬安徽）小將張筠驅逐刺史後投靠時溥，朱溫借故討伐，小勝後攻宿州未下。時溥即出兵攻宋州碭山加以牽製，朱溫派朱友裕率兵打敗時溥。大順二年八月，朱溫派丁會急攻宿州，引汴水淹城，迫使張筠投降。十一月，時溥部將劉知俊等也率眾歸附。從此，時溥兵勢一蹶不振。景福二年（893年）四月，朱溫派龐師古攻克徐州，時溥於燕子樓全族自焚。接著，朱溫加緊對付兗、鄆的朱瑾、朱瑄兄弟，令龐師古挾攻滅時溥之餘威進攻兗州，駐軍於曲阜，多次打敗朱瑾。乾寧元年（894年）二月，朱溫親率大軍於鄆州北濟州境內的魚山，與朱瑾、朱瑄大戰，火攻取勝。次年二月，又派其子朱友恭再攻兗州，塹而圍之。盡管楊行密攻占濠州、壽州進行牽製和李克用派遣李承嗣等率萬騎馳援鄆州，朱溫還是在乾寧四年（897年）正月攻占鄆州，俘殺了朱瑄。兗州守將康懷英投降，朱瑾倉皇南奔投靠楊行密。朱溫從此控製了黃河以南淮河以北的大片地區，勢力超過了河東的李克用。
朱溫在掃除東西兩方，兼並黃河以南、淮河以北地區後，開始穩固黃河以北地區，以便戰勝實力強大的宿敵李克用。早在中和四年追襲黃巢時，朱溫已預感28歲的李克用將是自己的勁敵，特意將汴州城外宿營的李克用殷勤邀請到上源驛設宴款待，乘李克用醉酒不備，縱火圍攻，意欲斬除。李克用幸得部下拚死相救，狼狽突圍。從此，朱李不共戴天。那時河南、淮北大體穩定，淮南楊行密還未構成重大威脅，而在河北地區的魏博節度使羅弘信及其子羅紹威，經朱溫拉攏，結為奧援，可以用來對付占據幽州（今北京）的劉仁恭這個李克用的不穩定同盟者，於是將矛頭北指河東。
光化元年（898年）三月，朱溫兼天平節度使。四月，朱溫部將葛從周攻取李克用在太行山以東的邢（今河北邢台）、洺（今邯鄲東北）、磁（今磁縣）3州。十二月，李罕之以潞州（今山西長治）歸降。次年，朱溫派氏叔琮進攻太原（今太原西南）和榆次（今屬山西），但兩戰失利，被迫撤軍，此後二次圍攻太原，也未攻克。但此時的朱溫，已為當時最為強大的割據勢力，並稱雄中原，開始了覬覦帝位。
光化三年（900年）十一月，宦官劉季述等幽禁唐昭宗，立太子李裕為帝。次年初，與朱溫關係密切的宰相崔胤與護駕都頭孫德昭等殺了劉季述，昭宗複位，改年號為天複，並進封朱溫為東平王。此後，崔胤想借朱溫之手殺宦官，而韓全誨等宦官則以鳳翔（今屬陝西）李茂貞、邠寧（今彬縣、寧縣）王行瑜等為外援。這年十月，崔胤矯詔令朱溫帶兵赴京師，朱溫乘機率兵7萬，由河中攻取同州、華州（今華縣），逼近長安近郊。韓全誨等劫持昭宗到鳳翔投靠李茂貞。朱溫追到鳳翔城下，要求迎還昭宗。韓全誨矯詔令朱溫返鎮。
天複二年，朱溫在返回河中後，再次圍攻鳳翔，多戰擊敗李茂貞。前來救助李茂貞的鄜坊節度使李周彝也被攔截，並歸降了朱溫。鳳翔被圍許久，城中無糧，處處可見凍死、餓死的百姓。李茂貞無奈，於天複三年（903年）正月殺韓全誨等20人，與朱溫議和。朱溫挾昭宗回長安，昭宗從此成了他的傀儡。
唐昭宗深知自己的處境，對朱溫說：“宗廟社稷是卿再造，朕與戚屬是卿再生。”因此他對朱溫唯命是從。不久，朱溫殺第五可範等宦官700多人。唐代中期以來，長期專權的宦官勢力受到了徹底的打擊。朱溫則被任命為守太尉、兼中書令、宣武等軍節度使、諸道兵馬副元帥，進爵為梁王，並加賜“回天再造竭忠守正功臣”的榮譽頭銜，並禦製《楊柳詞》五首。在任命朱溫為諸道兵馬副元帥之前，商議正元帥的人選時，“崔胤請以輝王祚為之。上曰：‘濮王長’。胤承全忠密旨利祚衝幼，固請之。己卯，以祚為諸道兵馬元帥”。天祐元年（904年）正月，朱溫再次表請遷都洛陽（今屬河南），當昭宗“車駕至華州，民夾道呼萬歲。上泣謂曰：‘勿呼萬歲，朕不複為汝主矣！’又對他的侍臣說：“朕今漂泊，不知竟落何所！”朱溫把昭宗左右的小黃門、打毬供奉、內園小兒等200餘人全部縊殺，並選來形貌相似的親信代替。“昭宗初不能辨，久而方察。自是昭宗左右前後皆梁人矣！”
遷都洛陽後，朱溫仍擔心38歲的唐昭宗有朝一日利用李茂貞、李克用等人伺機再起，就令朱友恭、氏叔琮、蔣玄暉等殺了唐昭宗，並借皇後之命，立13歲的李柷為帝，是為昭宣帝。為了避開罪責，朱溫在事前帶兵離開洛陽，到河中前線去討伐新附於李茂貞的楊崇本。事後，朱溫回到洛陽後，“朱全忠聞朱友恭等弑昭宗，陽驚號哭，自投於地曰：‘奴輩負我，令我受惡名於萬代！’癸巳，至東都，伏梓宮慟哭流涕。又見帝自陳非己誌。”此後，朱溫殺了朱友恭和氏叔琮，為滅口了事。