柏乡之战后，李存勖决定暂缓对后梁的攻势，先夺取河北地区，以消除后顾之忧，首要目标便是囚禁父亲刘仁恭而继任幽州节度使的燕王刘守光。他采用骄兵之计，联合成德、义武、昭义、振武、天德五镇，遣使奉册，共尊刘守光为尚父，以滋长其野心。刘守光却以为六镇是畏惧幽州兵威，更是骄狂，他得知尚父无权祭天、改元，不顾幕府诸将反对，在幽州悍然称帝，国号大燕，史称桀燕。李存勖命周德威兵出飞狐口，联合成德镇、义武镇一同征讨刘守光。
周德威夺取涿州，进围幽州，刘守光忙向后梁求救，朱温亲率大军北上，命杨师厚围攻枣强，又命贺德伦攻打蓚县。但梁军虽攻破枣强，却在蓚县被晋将符存审、史建瑭击败，朱温羞愤发病，返回洛阳，被其子朱友珪弑杀。
朱友贞发动政变，诛杀朱友珪，夺取帝位，史称梁末帝。而晋军则连夺幽州镇统辖的顺州）、檀州、武州、平州、营州等地。李存勖亲征燕国，攻破幽州，俘获刘仁恭、刘守光父子，他留周德威镇守幽州。
李存勖返回太原，处死刘仁恭父子，以祭奠李克用。当时，李存勖南破后梁，北定桀燕，威震天下，王镕、王处直相继遣使入晋，共推李存勖为尚书令。李存勖依礼三辞，而后接受尚书令之职，他在太原开设霸府，建立行台，以唐朝皇帝的名义承制任命官吏。
魏博节度使杨师厚病逝，梁帝朱友贞趁机将魏博镇分为两镇，以削弱藩镇势力，结果引发魏博兵变，变兵囚禁新任节度使贺德伦，请降于晋。李存勖乘势进占魏州，并处死变兵首领张彦等人，以威慑兵变士卒，稳定乱局。他收魏博牙兵为亲军，亲自兼领魏博节度使，随后又攻取德州、澶州，李存勖进兵莘县，与梁将刘鄩展开对峙。
李存勖声言回师太原，以引诱刘鄩出战，刘鄩果然中计，欲趁机夺回魏州，结果遭到李存勖、李嗣源、符存审的三面夹击，在元城一战中全军溃败，逃奔滑州。此后，李存勖又遣军接连攻取卫州、洺州、相州、邢州、沧州、贝州等地。黄河以北除黎阳一地外，全部被晋国占领。梁晋形势从此发生逆转。
寿州刺史卢文进叛附契丹，并引契丹军南下，契丹皇帝耶律阿保机亲率五十万大军，入寇幽州。守将周德威孤军坚守幽州，同时遣使向李存勖求援，李存勖遂命符存审、李嗣源、阎宝统领七万步骑，北上救援。李嗣源率援军抵达幽州城外，大败契丹军，解除幽州之围。此战，晋军俘斩以万计，缴获牛羊、辎重无数。契丹败退，北疆暂保无忧，李存勖开始调兵南下，推锋至黄河岸边，与梁军夹河对峙，争夺黄河沿岸各处要点。
李存勖率军东进，连破梁军数座营寨，攻陷杨刘城，俘获守将安彦之，并攻掠至郓州、濮州一带。当时，朱友贞正在洛阳进行祭天大典，闻讯仓皇赶回汴州，组织复夺杨刘城，但谢彦章数次用兵，始终未能收复杨刘城。
李存勖调发河东、魏博、幽州、横海、义武等镇军队，齐集魏州，准备直捣汴州，一举灭梁。李存勖由濮州境内的麻家渡渡过黄河，进驻胡柳陂，与梁军展开血战。晋军大败，周德威战死，李存勖被迫据土山自保。当时，围山梁军多是步卒，立足未稳，李存勖采用阎宝、李建及的建议，以骑兵突击，终于反败为胜，击溃梁军。此战，晋军虽乘胜夺取濮阳，但也因伤亡惨重，无力再攻汴州，只得撤归河北。
符存审进据德胜城，并夹河修筑南北两城，梁将贺瑰围攻德胜南城，并以竹索连结战船横列河面，将李存勖所率援军阻在黄河北岸。李建及率三百勇士，乘船驶至河中，斧劈火烧，冲破了梁军船阵，李存勖乘势挥军渡河，大败梁军。后来，梁将王瓒从黎阳渡河，屯据杨村渡，修造浮桥，储存大量军需物资，而李存勖也征发数万民丁，扩建德胜北城。当时，梁晋两军每日大小百余战，互有胜负。
河中节度使朱友谦攻取同州，叛梁降晋，结果遭到刘鄩的围攻，遣使向李存勖求援。李存勖命符存审、李嗣昭、李建及出军援救，在同州、渭河两次大败刘鄩，并追击至奉先一带，河中镇从此归附于晋国。
成德军将张文礼煽动兵变，李存勖迫于形势，授其为成德兵马留后。不久，河中、昭义、横海、成德等十一藩镇，一同遣使劝进，请李存勖建国称帝，被李存勖拒绝。李存勖命阎宝征讨成德镇，围困镇州，张文礼惊惧病死，其子张处瑾接掌军事，继续负城顽抗。义武节度使王处直勾结耶律阿保机，引契丹军南下，意图背叛李存勖，结果被义子王都囚禁。王都继任节度使，被契丹军围困在定州。
李存勖亲率五千铁骑北上，先后在新城、望都大败契丹军，解除定州之围，并乘胜追击至幽州，但与此同时，晋军在镇州却连连失利，损兵折将。阎宝攻城受挫，羞愤病逝，继任主帅李嗣昭、李存进相继战死。而梁军则趁虚反扑，攻克卫州、新乡等地，重新夺回河北重镇相州。镇州终因久被围困，粮尽力穷，被符存审攻破，张处瑾及党羽张处球、高蒙、李翥等皆俘送魏州处死，张文礼也被劈棺戮尸，李存勖又兼领成德节度使，将成德镇直接纳入晋国管下。
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