李克用进军渭桥，被委以邠宁四面行营都统，唐昭宗回到长安。李克用击破邠州，王行瑜败走到庆州后被杀，李克用收兵到云阳，上书请求讨伐李茂贞。昭宗慰劳李克用，让他和李茂贞和解，授予李克用“忠正平难功臣”称号，封为晋王。晋军在渭北遇雨六十天，有人劝李克用进长安，李克用没有下决定，都押衙盖寓说：“自皇帝从石门回来，都不敢好好入睡，如果我们的军队渡过渭河，皇帝更会惶恐不安？这时我们来勤王，为什么要进长安呢？”李克用笑道：“盖寓都不信我，何况天下其他人呢！”收兵回去。
唐昭宗准备再次任命张浚为宰相，李克用说：“这是朱温的阴谋呀。”上表说：“如陛下早上任命张浚为宰相，那么我晚上就带兵到朝廷来！“长安人心惶惶，唐昭宗终止了张浚的任命。朱温攻打兖、郓两地，李克用派李存信借道魏州去救朱宣等人，李存信屯兵莘县，军队在魏州扰民掠物，魏博节度使罗弘信埋伏部队攻打李存信，李存信败退到洺州。李克用亲自带兵攻打魏州，在洹水与罗弘信交战，期间李克用的儿子李落落被杀。李克用破魏州、成安、洹水、临漳等十余城，又在白龙潭击败魏博军，并攻打观音门，朱温救兵赶到，魏博军之危才解除。
幽州节度使刘仁恭叛晋，李克用带兵五万攻打刘仁恭，两军战于安塞，李克用大败。朱温派遣葛从周攻下邢、洺、磁三州，李克用派周德威出兵青山口，周德威在张公桥遭遇葛从周部队的袭击，周德威大败。潞州守将薛志勤去世，李罕之接管潞州，并叛变投靠朱温，朱温派氏叔琮攻破承天军，后又攻破辽州，到达榆次，周德威在洞涡击败朱琮。
李嗣昭再次取泽、潞两州，在沙河击败汴军，再次夺取洺州，朱温亲自带兵围住李嗣昭部队。李嗣昭败走，逃至青山口，遇汴军伏兵，李嗣昭大败。李嗣昭夺取怀州，汴军攻打镇、定两州，镇、定两州都脱离晋王而依附朱温。
朱温被唐朝加封为梁王。梁军攻下晋州、绛州、河中，把王珂擒去。晋失去三个同盟，于是写文书送钱礼向梁求和。朱温认为晋国已经没什么实力了，可以直接攻下，于是说：“晋国虽然送来文书要求结盟，但文书措辞傲慢。”因此大举进攻晋国。朱琮进入天井，张文敬进入新口，葛从周进入土门，王处直进入飞狐，侯言进入阴地。朱琮夺取泽、潞两地，其副将白奉国攻破承天军，辽州守将张鄂、汾州守将李瑭都迎接梁军前去投降，一时间晋国领地内人心惶惶。这时天降大雨，梁军士兵很多都得病了，于是梁军都退兵回去了，晋军再次夺回汾州，并诛杀了李瑭，周德威、李嗣昭夺取慈、隰两州。
晋军进攻晋州、绛州，在蒲县大败，梁军乘胜攻下汾、慈、隰三州，并围住太原。李克用大为恐慌，打算逃到云州，又想逃往大漠，正在犹豫不决。这时，梁军发生大规模疫情，退兵而去，周德威再次夺回汾、慈、隰三州。梁王朱温迫使唐昭宗迁都至洛阳，改年号为天佑，李克用认为唐天子迁都洛阳是梁王朱温挟持之下的举动，并非天子自愿，天佑不能算作正统的唐朝年号，拒绝使用，于是依旧使用天复年号。
李克用与契丹首领耶律阿保机，在云中结为兄弟，梁攻打燕领地沧州，燕王刘仁恭向李克用借兵。李克用痛恨刘仁恭的反复无常，想不答应，他儿子李存勖进谏说：“这正是我们重新振作的机会。现在天下的形势，归附梁的势力十有七八，像赵、魏、中山这些比较强的割据势力都没有不听从于梁的。因此，黄河以北，没有梁所担心的势力，梁所忌惮的就只有我们和燕王刘仁恭了，如燕、晋合盟，那对梁来说不是什么好事。争天下要不在乎小节，而且他常围困我们但我们却去帮他解决困难，可以因此作为我们对他的恩德记着，这可以说是一举两得，这是不容错失的机会呀！”李克用认为李存勖说的在理，为燕出兵攻破潞州，梁围燕城的危机才消除。李克用命李嗣昭为潞州留后，后梁军队十万人进攻潞州，筑夹城将潞州围住，李克用派周德威救潞州。
李克用得了重病，后梁篡唐，朱温称帝建立后梁，年号开平，李克用沿用唐年号天佑四年。李克用去世，享年五十三岁，去世前以三矢交付给长子李存勖，一矢讨刘仁恭，一矢讨伐契丹，一矢灭朱温，以寄托平生的夙愿。后来，李存勖藏三矢于武皇庙庭，下令薄葬，发丧后二十七日除服，其子李存勖继位晋王，将李克用安葬在雁门。
李存勖即皇帝位，建立后唐，追尊皇考李克用为皇帝，妣为皇后，追尊李克用谥号为武皇帝，庙号太祖，立庙于太原。
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