李光弼和郭子仪坚决执行唐肃宗的命令到灵武会师，把已经收复的河北州郡又拱手让给了史思明。史思明占领河北二十四郡后，看无后顾之忧，便领军十万进入山西，声称要一直打到灵武，活捉唐肃宗。
灵武会师后，唐肃宗执意要带唐军主力南下进攻长安、洛阳，仅让李光弼带五千人马赴山西抵御史思明。用五千人去对十万敌军，无异是以卵击石。要是换作常人，估计早就吓得迈不开腿了。可艺高人胆大的李光弼却没空纠结抱怨，在弄清了敌我态势后，李光弼催促部队急行几百里，先于叛军数日抵达太原。
太原是河东节度的首府、西进的门户，守住太原，就能阻挡史思明的大军。安禄山造反之前曾担任平卢、范阳、河东三镇的节度使，太原本来就是他的领地，可时任太原留后杨光翽和安禄山不是一路人，不可能跟着造反。安禄山在范阳起兵后，立刻派何千年、高邈率军偷袭太原。杨光翽对安禄山造反预期不足，没有任何准备，大意丢了太原，自己也被活捉。在安禄山的屠刀面前，杨光翽誓死不降，英勇赴难，首级被叛军拿来祭了旗。安禄山造反的主战场在河北、河南、陕西，山西战事不多，何千年、高邈攻占太原不久，就被调往河南作战。安禄山建立伪燕国后，扶植唐奸在太原成立了伪政府。李光弼军队一到，伪政府就开城投降，唐军进驻太原。
坐定太原后，李光弼顾不得休息，立刻到各处勘察地形。太原分内城、外城两道城墙，也就是如今我们所说的一环、二环，一些部下建议分兵把守、梯次防御。而李光弼并不认同这种部署，他对大家说：“太原二环全长四十多里，我们就是把兵力全投进去，也是杯水车薪，每个防御点都会缺人。敌人任选一点进攻，我们就得派兵增援，处处受人牵制，用不多久就成了疲惫之师，更加无法坚守。”李光弼用手指了指一环，接着说：“我们兵力有限，必须采取收缩防御，把力量集中到一起，才能形成合力对抗敌军。”在李光弼的亲自调度下，唐军及百姓全部退守一环，并将一环与二环之间的树木砍尽、房屋拆光，把得到的木材、石料悉数运进一环，连一根木棍、一块石头也不给叛军留下。
李光弼还手绘投石机制造图纸，组织工匠加紧赶制，打造出几十台大型投石机，每台需二百人操作，可发射巨石。有人不解，问道：“投石机不是攻城器械吗？咱们是守城一方，造这么多投石机做甚？即便用投石机攻击来敌，敌人处在城外开阔地，便于分散躲避，投石机的*伤力也使不出来啊？”李光弼道：“到时候你就知道了。”李光弼把青壮百姓编入军队，排练阵法，磨刀砺剑，专等史思明来攻。
叛军到了太原，一看城上无人，城门太开，以为是座空城，大摇大摆、有说有笑地开进了二环。李光弼等叛军大部队进城，命令大型投石机发射。一块块巨石从天而降，直落敌阵。因一环与二环之间刚刚完成大拆迁，叛军连个窝棚都找不到，无处躲避藏身，被巨石砸得人仰马翻。史思明慌忙下令撤退，可几万人已混成一团，想迅速涌出城门哪那么容易？叛军说是来攻城的，结果还没碰到城墙就被打得四散逃窜，死伤数千人。叛军退出去后，怕再遭巨石，哪怕二环城墙上一个兵都没有，也不敢随意进入二环。瞧瞧，会打仗的人不设兵也能达到有兵的效果。
史思明刚到太原先碰一鼻子灰，哪肯罢休？对蔡希德说：“他李光弼是欺咱不会用器械啊，赶紧打造飞楼，给他来个器械对器械，看他能耐我何？”
飞楼与投石机一样，也是一种传统攻城器械。飞楼主体为木制阁楼，与城墙同高，周身以木板防护，底部装有轮子。攻城士兵躲在楼体内，后边用人力推动，待接近城墙，士兵爬至楼顶，能够直跃城墙，与守军近身搏斗。
李光弼既然能发挥投石机的优势，当然也懂得破飞楼的办法，趁着叛军忙于造飞楼，入夜后派人在一环外多挖大坑，再盖上伪装。不日，叛军飞楼完工，士兵躲在楼内自以安全，可还没高兴多久，就听到一阵“轰轰”声，飞楼接连陷坑，楼塌人亡。叛军进攻再败，空耗军力。
史思明再思一计，派老弱士兵到一环外搦战，诱使李光弼出城，自己则带精锐于二环外列阵，以为伏兵。唐军诸将对李光弼讲：“这明显是引诱我们出战，后边必有伏兵。”李光弼说：“人家搭了那么久的台，咱怎么也得给点面子唱出戏啊！”史思明正在二环外干等，突然听到一环外喊*震天，肯定是李光弼“中计”出城了。史思明纠集部队支援，这才发现二环的城门不知什么时候关闭了，一时无法进去。不错，唐军是出来了，不过不是走城门出来的，而是挖地道直通到了二环内墙下，再派一些动作快的士兵偷偷关闭了城门。城门一关，李光弼指挥部队倾城而出，无情收割那些老弱士兵。叛军伏兵在二环外干着急帮不上忙，等把城门砸开，唐军已撤进一环，留下成堆的叛军死尸。
接二连三被李光弼戏弄，史思明在帐里喝起闷酒。酒间，有人来报，说城内有人送出书信。史思明接过一看，是一个叫荔非元礼的军官送来的降书，信中说自己与李光弼不和，想改投史思明帐下效力，并约定当夜打开一环城门，迎史思明进城。史思明曾经在河北土门战役中吃过被守军骗进城的亏，中了埋伏，腰上还挨了一戟。这次他长了记性，先派一军查看虚实，待确认安全了再让大军进城。一支千余人的小部队于晚上摸进二环，发现一环城门大开，可刚一进城，城门瞬间关闭，城内唐军*出，很快就把这股叛军报销了。史思明一看果然有诈，在城外哈哈大笑，讥讽李光弼无能。荔非元礼在城上也哈哈大笑，说道：“反正晚上睡不着困得慌，能搞死你一点是一点。”史思明这才明白人家是玩得就是见好就收，白白死了不少人，立马转喜为怒，大骂李光弼狡猾。
眼看叛军攻城月余，却没捞得一点便宜，史思明正在苦思计策，突然接到战报，郭子仪领兵攻破长安，正与安庆绪在陕州一带决战。史思明眼珠子咕噜一转，若有所思，然后率众即刻返回河北，临行留给蔡希德一万人，让他继续与李光弼周旋。
蔡希德是个死脑壳，还当自己是攻城一方，浑然不觉己方实力已经大大缩水。李光弼从灵武带来五千人，加上在太原新补入的青壮，也有近万人，实力与蔡希德相当。见蔡希德仍旧四平八稳地在城外研究如何进攻，李光弼趁其不备组织唐军主动出击，很快击溃了疏于防范的叛军。蔡希德被打得一头雾水，慌不择路，逃回河北。
太原保卫战取得完胜。唐军中一些军官见李光弼既懂防御、又擅进攻，既通阳谋、也会阴招，在这么不利的情况下，竟把叛军打得抓狂吐血，对其佩服得五体投地，郝廷玉、白孝德、荔非元礼、李抱玉等一批军官打这时起，一心追随李光弼东征西战，并在李光弼的影响下，成长为能征善战的名将。当然这是后话。
