至德元载（756）七月，玄宗至蜀，太子李亨即皇帝位于灵武（今宁夏灵武西南），是为肃宗。李、郭应新天子诏，于次月“全师赴行在，军声遂振，兴复之势，民有望焉”。是月，授光弼户部尚书，兼太原尹、北京（今太原）留守、同中书门下平章事，以景城（治今河北沧州东南）、河间（治今河北河间）之卒五千赴太原。
此时，因郭子仪、李光弼所统全师调往灵武，由是河北等地叛军的声势复炽，至十一月，河北诸郡悉为史思明等攻陷。至德二载（757）正月，气焰高涨、不可一世的河北等地叛军遂兵分四路——史思明自博陵（治今河北定县）、蔡希德自太行（即太行关，又称天井关，在今山西晋城南）、高秀岩自大同（即大同军，在今山西朔州东北）、牛廷玠自范阳（治今北京）——总十万大军，入寇太原（今山西太原西南）。光弼所处形势，极为严峻，《通鉴》称：
李光弼麾下精兵皆赴朔方，余团练乌合之众不满万人。思明以为太原指掌可取，既得之，当遂长驱取朔方、河、陇。
对此，太原诸将“皆惧”，“议修城以待之”。光弼则不以为然，他认为“太原城周四十里，贼垂至而兴役，是未见敌先自困也”。然而，以不足万人的“懦兵”面对十倍于己的劲卒悍将，这一仗究竟应如何打？光弼似早已胸有成竹。
掘壕、作墼 光弼亲自带领军民于城外挖掘战壕，构筑工事。外制作墼（土坯）数十万，“众莫知所用”。及至敌人攻城于外，光弼用之增垒于内；即堡垒有损，就以备用的土墼补之。
城守严密 思明围太原，月余不下，于是挑选一批勇猛骄健的将士组成“游兵”，并告诫说：“我攻其北则汝潜趣其南，攻东则趣西，有隙则乘之”。思明以为，用此声东击西战术，只要有一方守城官军出现懈怠，就可乘虚而入。可是，“光弼军令严整，虽寇所不至，警逻未尝少懈，贼不得入”。
地道战 在古代战争中，运用地道作战，似乎是李光弼一大发明。光弼善于发现和使用人才，即使有小技能，亦“皆取之，随能使之，人尽其用”。当敌人攻城无隙可乘时，就在城外叫骂，企图激怒光弼出城较量。时军中有铸钱工三人，光弼知他们善于挖掘地道，就令他们带人自城内穿洞穴于城外。以后又有敌人骂阵，光弼则派人从地道中曳其足而入，“临城斩之”。“自此贼将行皆视地，不敢逼城”1。思明为了攻城需要，制作“飞楼”，“障以木幔”（按，用以防箭），又筑土山于城下。光弼则“遣穴地颓之”。对神出鬼没的官军，思明在“大骇”之后，又无可奈何地“徙牙帐远去”。为了更多地消灭敌人，光弼又派人“诈与贼约，刻日出降，贼喜，不为备”。光弼则组织士卒将地道挖至敌营之下，并以木头支撑道顶。及至约定日期叛军又遭受一次意外的重创：
光弼勒兵在城上，遣裨将将数千人出，如降状，贼皆属目。俄而营中地陷，死者千余人，贼众惊乱，官军鼓噪乘之，俘斩万计。
石炮战 光弼又作大炮多门，置于城中四面。俟敌逼近城池，即以巨石放炮乱击之，一发辄击毙二十余人，思明“骁将劲卒死者十二三”。
斗勇 通过一段时间光弼与敌人斗智，大长了太原军民的志气，大灭了思明诸军的威风；“城中长幼咸伏其勤智，懦兵增气而皆欲出战”。狡猾的史思明知道再待下去结果将更不堪设想，遂以禄山被弑、新主安庆绪命其“归守范阳”为借口，率先离去，而留下蔡希德继续啃这个苦果。二月十九日，李光弼亲自率领敢死之士出城同蔡希德决战，“大破之，斩首七万余级”，叛军的军资器械，“一皆委弃”，希德狼狈遁走。至是，历时一个多月的太原保卫战，以大获全胜而宣告结束。
在太原保卫战中，李光弼不仅自我塑造了一个大智大勇、临危不惧的杰出军事家的光辉形象，而且还充分地表现出他具有公而忘私的品格：
光弼自贼围城，城中迁一小幕止宿，有急即往救之。行至府门，未尝回头，不复省视妻子。贼退后，收拾器械，处置公事。经三日，然后归家。
特别应指出的是，在太原保卫战中，其非凡的军事思想时有表露。他面对十倍于己的强大敌人，敢于在战略上藐视，但又不盲目地瞧不起强敌，而是将这种大无畏的思想建立在战术上充分重视敌人的基础上。在时机尚未成熟时，他绝不轻易出击。他创造的地道战战术，搞得敌人晕头转向、莫名其妙，以至于敌人对他敬畏若神明，“呼为‘地藏菩萨’”。当他以诸多局部胜利将部下“懦兵”的士气大大鼓舞起来后，就毫不犹豫地抓住战机，同敌人进行最后决战，并获得全局的胜利。
还应注意的是，史思明等入寇太原的最终目的是“长驱取朔方、河、陇”，即直捣兴复唐室的大本营。结果非但未能逾越光弼这座国之长城，反丧师丢地。太原战事一结束，光弼为扩大战果，进收清夷（在今河北怀来）、横野（在今山西天镇）等军，并“擒贼将李弘义以归”。光弼还曾西渡黄河讨击敌人，当叛军别将攻好畴县（治今陕西永寿西南好畤镇）、破大横关（在今陕西永寿西南关头镇）时，“光弼追败之”。
这里需要交待的是，太原保卫战以及随后数月时间，在叛军上层和官军方面都经历了巨大变化：一月六日，安庆绪弑其父禄山于洛阳；二月，肃宗至凤翔（今陕西凤翔），郭子仪拔河东郡（治今山西永济蒲州镇）；八月，回纥援兵至；九月广平王领蕃汉大军收复西京；十月，安庆绪奔河北，保邺郡（治今河南安阳），官军收复东京。由于形势急转直下，朝着有利于官军方向发展，从而加剧了叛军上层的内讧和分化。如安庆绪北逃时，追随者“唯疲卒一千三百而已”，像当初充禄山谋主后又拥立庆绪的严庄都“南来归顺”。连史思明也“不用庆绪之命”，并酝酿着以河北“十三州之地、十万众之兵降国家”。
关于史思明欲降朝廷事，因同李光弼多少有些牵连，这里一并叙述之。诸史书对思明欲降事多有记载，现摘录《新唐书·史思明传》于下：
李光弼闻其（思明）绝庆绪，使人招之。前此乌承恩已归国，帝遣镌谕之，思明使牙门金如意奉十三郡兵八万籍归于朝，于是高秀岩以河东自归。……然思明外顺命，内实通贼，益募兵。帝知之，以其常事承恩父知义，冀其无嫌，即擢承恩为河北节度副大使，使图思明。承恩至范阳，羸服夜过诸将，阴谂以谋，诸将返以告思明，疑未有以验。会承恩与［中使］思敬奏事还，思明留馆之，帏所寝床，伏二人焉。承恩子入见，因留卧。夜半，语其子曰：“吾受命除此逆胡。”二人白思明，乃执承恩，探衣囊得赐阿史那承庆（按，承庆为安庆绪所遣图思明者）铁券及光弼牒，又得薄纸书数番，皆当诛将士姓名，贼大诟曰：“我何负于尔，至是邪！”故答曰：“此太尉光弼谋，上不知也。”思明召官吏于廷，西向哭曰：“臣赤心不负国，何至杀臣？”因搒杀承恩父子及支党二百余人，囚思敬以闻。帝遣使谕曰：“事出承恩，非朕与光弼意。”又闻三司议陈希烈等死，思明惧曰：“希烈等皆大臣，上皇弃而西，既复位，此等宜见劳，返杀之，况我本从禄山反乎？”
上引有一事不明，既云思明之降为光弼所招，光弼何又出尔反尔，指示承恩图思明？对此，《通鉴》解释说“李光弼以思明终当叛乱，而承恩为思明所亲信，阴使图之；又劝上以承恩为范阳节度副使，赐阿史那承庆铁券，令共图思明，上从之”。其实，这样的记载，即便是“《通鉴》功臣”胡三省都不信，他说：
乌承恩持铁券入不测之虏，使阿史那承庆之事不成，承恩其能奉铁券以还天子乎！使思明果授首，则宜宥其同恶，而先籍其姓名，果能悉诛之乎！余谓李光弼之明智必不为此。盖思明因承恩言，伪为此牒，抗表以罪状光弼；又伪为簿书，籍将士姓名以激怒之，使与己同反而无他志。
此言是也。按，时阿史那承庆为思明所拘，已无足轻重，即便光弼图谋思明，亦不会寄希望于承庆。又，乌承恩虽与思明有旧，并有朝廷特使之名，但终究势单力薄，哪堪承担诛杀思明及同党之大任。“工于料人”的李光弼是何等样人，怎会出此下策，将河北的命运系于两个缺乏根基的人的身上！
据上，光弼招降思明，或有可能，但筹划杀降，必非其所为。
是年，光弼拜司徒（不久，策勋换司空），兼兵部尚书，进封魏国公（十二月改封郑国公）。其使相、河东节度、太原尹、北京留守等职事依旧。
本文节选自《李光弼》