王鎔攻打敗退邢州的李克用，部將李存信、李嗣勳等在堯山擊敗王鎔。李克用又與王處存攻打王鎔，兩軍在新市交戰，李克用、王處存聯軍被王鎔擊敗。李匡威攻打雲州，以牽制李克用的兵力，李克用暗中返回雲州，出兵擊敗李匡威。
李存孝在邢州叛變李克用，李存孝向敵軍王鎔求救，李克用出兵井陘攻打王鎔，又發書信招降王鎔，同時猛攻王鎔的平山。王鎔懼怕破城，於是和李克用通行求和，向李克用獻帛五十萬匹，並出兵幫助攻打邢州李存孝。李克用擒住盤踞邢州的李存孝，並將其處死，李克用攻打幽州，李匡儔棄城出逃，李克用追至景城，殺了李匡儔，任命劉仁恭作為留後。
河中節度使王重盈去世，他的兒子王珂、王珙爭位，李克用上書請求王珂繼位，鳳翔李茂貞、邠寧王行瑜、華州韓建上書請求王珙繼位。唐昭宗開始左右為難，任命宰相崔胤為河中節度使，後來又同意李克用立王珂。李茂貞等人非常生氣，三處共同起兵前往攻打長安，後聽說李克用也出兵前來，才都收兵回去。
李克用攻克絳州，斬殺刺史王瑤，李克用來到河中，同州王行約前去長安，散佈謠言說：“李克用的沙陀軍隊十萬人馬殺來了！”王行約想讓唐昭宗移駕邠州，李茂貞的乾兒子閻圭，想把唐昭宗劫到鳳翔，一時間長安大亂，唐昭宗出逃來到石門。李克用軍隊在河中一個多月，都沒往長安方向進發，唐昭宗派延王戒丕、王允兄兩人在李克用處做事，並告知長安的危急情況。
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李克用進軍渭橋，被委以邠寧四面行營都統，唐昭宗回到長安。李克用擊破邠州，王行瑜敗走到慶州後被殺，李克用收兵到雲陽，上書請求討伐李茂貞。昭宗慰勞李克用，讓他和李茂貞和解，授予李克用“忠正平難功臣”稱號，封為晉王。晉軍在渭北遇雨六十天，有人勸李克用進長安，李克用沒有下決定，都押衙蓋寓說：“自皇帝從石門回來，都不敢好好入睡，如果我們的軍隊渡過渭河，皇帝更會惶恐不安？這時我們來勤王，為什麼要進長安呢？”李克用笑道：“蓋寓都不信我，何況天下其他人呢！”收兵回去。
唐昭宗準備再次任命張浚為宰相，李克用說：“這是朱溫的陰謀呀。”上表說：“如陛下早上任命張浚為宰相，那麼我晚上就帶兵到朝廷來！“長安人心惶惶，唐昭宗終止了張浚的任命。朱溫攻打兗、鄆兩地，李克用派李存信借道魏州去救朱宣等人，李存信屯兵莘縣，軍隊在魏州擾民掠物，魏博節度使羅弘信埋伏部隊攻打李存信，李存信敗退到洺州。李克用親自帶兵攻打魏州，在洹水與羅弘信交戰，期間李克用的兒子李落落被殺。李克用破魏州、成安、洹水、臨漳等十餘城，又在白龍潭擊敗魏博軍，並攻打觀音門，朱溫救兵趕到，魏博軍之危才解除。
幽州節度使劉仁恭叛晉，李克用帶兵五萬攻打劉仁恭，兩軍戰於安塞，李克用大敗。朱溫派遣葛從周攻下邢、洺、磁三州，李克用派周德威出兵青山口，周德威在張公橋遭遇葛從周部隊的襲擊，周德威大敗。潞州守將薛志勤去世，李罕之接管潞州，並叛變投靠朱溫，朱溫派氏叔琮攻破承天軍，後又攻破遼州，到達榆次，周德威在洞渦擊敗朱琮。
李嗣昭再次取澤、潞兩州，在沙河擊敗汴軍，再次奪取洺州，朱溫親自帶兵圍住李嗣昭部隊。李嗣昭敗走，逃至青山口，遇汴軍伏兵，李嗣昭大敗。李嗣昭奪取懷州，汴軍攻打鎮、定兩州，鎮、定兩州都脫離晉王而依附朱溫。
朱溫被唐朝加封為梁王。梁軍攻下晉州、絳州、河中，把王珂擒去。晉失去三個同盟，於是寫文書送錢禮向梁求和。朱溫認為晉國已經沒什麼實力了，可以直接攻下，於是說：“晉國雖然送來文書要求結盟，但文書措辭傲慢。”因此大舉進攻晉國。朱琮進入天井，張文敬進入新口，葛從周進入土門，王處直進入飛狐，侯言進入陰地。朱琮奪取澤、潞兩地，其副將白奉國攻破承天軍，遼州守將張鄂、汾州守將李瑭都迎接梁軍前去投降，一時間晉國領地內人心惶惶。這時天降大雨，梁軍士兵很多都得病了，於是梁軍都退兵回去了，晉軍再次奪回汾州，並誅殺了李瑭，周德威、李嗣昭奪取慈、隰兩州。
晉軍進攻晉州、絳州，在蒲縣大敗，梁軍乘勝攻下汾、慈、隰三州，並圍住太原。李克用大為恐慌，打算逃到雲州，又想逃往大漠，正在猶豫不決。這時，梁軍發生大規模疫情，退兵而去，周德威再次奪回汾、慈、隰三州。梁王朱溫迫使唐昭宗遷都至洛陽，改年號為天佑，李克用認為唐天子遷都洛陽是梁王朱溫挾持之下的舉動，並非天子自願，天佑不能算作正統的唐朝年號，拒絕使用，於是依舊使用天覆年號。
李克用與契丹首領耶律阿保機，在雲中結為兄弟，梁攻打燕領地滄州，燕王劉仁恭向李克用借兵。李克用痛恨劉仁恭的反覆無常，想不答應，他兒子李存勖進諫說：“這正是我們重新振作的機會。現在天下的形勢，歸附梁的勢力十有七八，像趙、魏、中山這些比較強的割據勢力都沒有不聽從於梁的。因此，黃河以北，沒有梁所擔心的勢力，梁所忌憚的就只有我們和燕王劉仁恭了，如燕、晉合盟，那對梁來說不是什麼好事。爭天下要不在乎小節，而且他常圍困我們但我們卻去幫他解決困難，可以因此作為我們對他的恩德記著，這可以說是一舉兩得，這是不容錯失的機會呀！”李克用認為李存勖說的在理，為燕出兵攻破潞州，梁圍燕城的危機才消除。李克用命李嗣昭為潞州留後，後梁軍隊十萬人進攻潞州，築夾城將潞州圍住，李克用派周德威救潞州。
李克用得了重病，後梁篡唐，朱溫稱帝建立後梁，年號開平，李克用沿用唐年號天佑四年。李克用去世，享年五十三歲，去世前以三矢交付給長子李存勖，一矢討劉仁恭，一矢討伐契丹，一矢滅朱溫，以寄託平生的夙願。後來，李存勖藏三矢於武皇廟庭，下令薄葬，發喪後二十七日除服，其子李存勖繼位晉王，將李克用安葬在雁門。
李存勖即皇帝位，建立後唐，追尊皇考李克用為皇帝，妣為皇后，追尊李克用諡號為武皇帝，廟號太祖，立廟於太原。
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