史思明又率领大批叛军来进攻河阳，李光弼在河阳城内召集将领们开会，部署作战任务。河阳城依河岸而建，被河水分成了几部分，人们将城池的几部分分别称为南城、中城、北城。各城都有城墙，三座城之间有浮桥相连，既可以独立防御又可以相互联系支援。李光弼对郑陈节度使李抱玉说：“你能够在南城坚守两天吗？”李抱玉说：“能，但是，如果超过了两天，守不住了将会怎么办？”李光弼说：“如果超过了两天，救援部队还不来，你就可以放弃。”李抱玉答应了，然后回到南城，带领部队，加固城墙，进行防守。叛军把三座城都分割包围来，将联系三城池的浮桥烧毁。叛军大将周挚指挥叛军们先开始对南城发起了进攻。大批叛军轮番着向南城发起进攻，一批叛军被击退了，一批叛军又攻上来了，几个地方的城墙已经被摧毁，城墙眼看快要被攻陷了。李抱玉十分着急，他听从了身边一位将领的建议，决定用假装投向来拖延时间。他派身边的一名副将到城墙上向叛军高喊：“我们的粮食已经吃尽了，能够作战的人员也不多了，明天早晨我们就投降，你们不要再进攻了。”他一遍一遍地高喊，攻城的叛军们听了十分高兴，而叛军士卒们也不再拼命攻城了，叛军将领也就只好命令停止攻城，等待守军明天早晨投降。夜里，李抱玉命令士卒们趁着月色抓紧时间修补城池，准备守城的工具。到了早晨，叛军们十分高兴地早早来到营外，等着唐军前来投降。李抱玉又派那位副将登上了城墙，对叛军们大喊：“叛军们听着，你们死了那份心吧，我们是决不会投降的。”叛军们听了，立刻像炸了锅一样，开始高声叫骂，叛军将领立刻命令把叛军们集合起来，在城墙正中的开阔地方，全力进行攻城。李抱玉挑选了五百名士卒，派一员作战勇敢的骁将带领，从城东南角的小门出城，悄悄来到叛军的背后，突然向叛军发起进攻。叛军背后受到突然的进攻，立刻乱了阵脚，纷纷开始逃跑，李抱玉趁机带领城中的守军杀出，内外夹击。叛军死伤很多，慌忙后撤。
叛将董秦跟随史思明来攻打河阳，他早有归顺朝廷之心。夜晚，他率领部下的五百名士卒，拔掉营寨的木栅栏，突围了出来，投降了李光弼。李光弼亲自率兵驻扎在中城，在城外设置了木栅栏，在栅栏外面又挖了壕沟，壕沟宽深都是两丈多。叛军大将周挚放弃了进攻南城，带领叛军全力来进攻中城。李光弼命令荔非元礼率领精兵，在城外迎击叛军。他自己于城东北角树起一面小红旗，在那里观察叛军。叛军仗着兵力强大，一直进军到城下，载着攻城战具的大车紧跟在后面。来到壕沟边，叛军将领督促着士卒填埋壕沟。叛军在壕沟上共填出了八条宽敞的路，又在唐军设置的木栅栏上打开了缺口。荔非元礼率领唐军，立在那儿，不发动进攻。李光弼见叛军们已经逼近到城下，而荔非元礼还没有行动，就派人问荔非元礼：“你看见叛军们在填壕沟、开栅栏准备通过，为什么不采取行动阻止他们，你想怎么办呢？”荔非元礼对来人说：“李将军是想坚守呢，还是想出战呢？”来人飞马禀报李光弼。李光弼说：“想出战。”荔非元礼又对来人说：“如果想出战，那么，叛军正是在为我们填壕沟，为我们出击扫清障碍，我们为什么要阻止他们呢？”来人把荔非元礼的话对李光弼说了，李光弼听了很高兴，立即派人对荔非元礼说：“你的计策非常好，我没有想到，你要你好好努力。”荔非元礼等到叛军们打开了栅门，就率领敢死队突然杀出去，攻打叛军。叛军遇到了突然的打击，向后退却了几百步，然后，又稳住了阵势。荔非元礼看到叛军的阵势很坚固，不容易一下子就冲垮，就带领敢死队向后撤退。李光弼看见荔非元礼率兵退了回来，不禁大怒，就派人去把荔非元礼叫来，想要杀掉他。荔非元礼对来人说：“现在，战斗正处在紧急时刻，李将军召我回去有什么事呢？我不回去。”于是，荔非元礼领兵退入到栅栏内，守住栅栏口。叛军们不敢向前紧逼，停在栅栏外。过了一会儿，叛军的阵势就有些松动了，荔非元礼见时机一到，就率领士兵们擂鼓呐喊着杀出了栅栏门，突然向叛军发起了进攻。叛军们没有准备，立刻前后相拥，乱了阵脚，自想践踏，大败而去。
叛军大将周挚见中城攻不下来，就又收兵进攻北城。李光弼立刻率兵到了北城。他登上城头，望着叛军，观察了一会儿说：“敌人虽然兵多，但队伍混乱而不整齐，我们用不着害怕。过不了中午，我保证，我们很快就会打败敌人。”于是，就命令将领们分别带兵出战。战斗进行得十分激烈，敌我双方杀得难分难解，唐军和叛军都伤亡惨重，但到了中午，还没有决出胜负。李光弼命人把将领们都召来，他道：“敌人的阵势哪个地方最强？”将领们回答说：“西北方向最强。”于是，李光弼就命令部将郝廷玉进攻西北方向。郝廷玉请求给他五百名骑兵，李光弼只给了他三百。李光弼又问哪个方向的敌人第二强，众将领说：“东南方向。”于是李光弼就命令部将论惟贞到东南方向进行进攻。论惟贞请求给他精锐骑兵三百名，李光弼只给了他二百。然后，李光弼命令众将领说：“你们都看着我的旗子作战，如果我的旗子挥动缓慢，就任凭你们选择有利时机出战，如果我急速往上挥动旗子三下，你们就全军齐发，冒死前进，稍有后退者杀！”李光弼又把一把短刀插在自己的靴子中，说：“战斗是十分危险的事情，我身为国家的三公，决不能够死于叛军之手，万一战斗失败，大家在前面死在敌人的手中，我就在这里自刎而死，决不会只让大家战死。”众将领听了都十分激动，齐声高喊着带领士兵出战了。战斗在激烈地进行着，不一会儿，郝廷玉匆匆逃下阵来。李光弼看见了，脸色大变，他十分吃惊地对周围的人说：“郝廷玉逃下阵来，我的作战计划就不能实现了。”他命令身边的人去问郝廷玉为什么撤退，要把他的头割下来。郝廷玉对李光弼派来的人说：“我不是退下来的，是我的坐骑中箭了，不能作战了。”派去的人立刻飞马来报告李光弼，李光弼就命令让郝廷玉换了一匹好马，让他重新上阵。仆固怀恩和他的儿子开府仪同三司仆固玚和叛军作战，形势不利，稍稍有些后退，李光弼就命令身边的人前去要把他们的头割下来。仆固怀恩父子看见李光弼派来的人提刀骑马而来，立即不顾生死带领士卒向前冲去。李光弼不断地挥动着手中的指挥旗，众将领都冒死进攻，呼喊之声惊天动地，叛军被杀的大败，杀死了一千多人，俘虏了五百人，掉进水中被淹死的有一千多人。周挚仅带领着几十名骑兵逃走了。叛军大将徐璜玉、李秦授等被俘虏。叛军的河南节度使安太清退保怀州。史思明不知道周挚已经被打败，还在南城进攻，李光弼把俘虏的叛军赶到河边上让史思明观看，史思明才带兵退去。