至德二載（757年）盛夏過後，肅宗加緊了對安史叛軍總攻的準備與部署。
這年閏八月二十三日，肅宗犒賞三軍，總攻長安、收復京師的戰鬥就要打響了，總指揮自然是兵馬大元帥李豫。
九月十七日，唐朝大軍正副元帥李豫、郭子儀為中軍，李嗣業為前軍，王思禮為後軍，回紇兵馬由葉護率領作為機動隊伍，在灃水之東的香積寺（位於現在陝西長安南）以北橫亙30裡，與叛軍10萬人擺開了決戰的陣勢。
戰鬥一開始，敵人驍將李歸仁出陣挑戰，唐軍前隊進逼相應，遭到敵人突然反撲，軍中大亂。正當危機關頭，壯勇絕倫的李嗣業奮臂高呼：
“今日若不拼死一戰，必將一敗塗地。”
說著，竟卸下鎧甲，光著膀子，掄起鋒利的陌刀，衝向敵陣，擋其刀鋒者，無論人馬，竟然被其用刀碎裂。敵軍被其英勇所震懾，唐軍也士氣大振，陣腳方才穩住。
李嗣業乘勢率領前隊軍卒各執長刀，列陣而進，他身先士卒，所向披靡，軍陣似銅牆鐵壁壓向敵人。剎時之間，疆場上戰馬嘶鳴，刀槍的撞擊聲、士兵的吶喊聲，響成一片。
這場血戰一直從午時打到酉時，直到夜幕降臨，敵軍潰逃而去，戰場上留下了6萬多具屍體。
叛軍退入長安後，連夜逃跑了。唐軍得到戰報，李豫立即下令入城。京師長安淪陷15個月後終於收復了，這是進入戰略決戰以來取得的一次巨大勝利。
當身為元帥的代宗率軍進入長安的時候，城內的百姓扶老攜幼，夾道相迎，他們嗚咽著、歡呼著，為從此結束朝不保夕的動盪生活而慶幸，為擺脫叛軍野蠻鐵蹄的蹂躪而歡慶。
長安城的百姓也許並不知道，剛剛趕走了叛軍，一場背後的交易幾乎讓他們遭到滅頂之災。
原來，回紇兵馬在攻克長安之後，葉護提出要唐朝履行肅宗皇帝當初的許諾，即索掠城中的金帛、子女。代宗勸阻葉護：
“今剛剛收復西京，若馬上大舉俘掠，則東都之人就會皆為賊固守，收復東都就不容易了。願到了東都再履行約定。”
葉護聽從勸告，與僕固懷恩各領兵由城南繞行，到滻水以東安營紮寨。
十月十八日，唐朝大軍進入東都洛陽。至此，兩京均已收復，平叛戰爭取得了重大勝利。洛陽百姓卻再次遭受不盡的苦難。
城中百姓歡迎唐軍的人群還沒有散去，回紇兵已按捺不住無限的貪慾，直衝向庫府收取財帛，在洛陽市井及村坊之中大索三日，城中父老出於無奈，自動收集錦羅綢絹萬匹奉送給回紇，回紇兵才算收斂。
代宗此番也無法阻止其剽掠，還同城中百姓一道送給回紇金銀財寶，葉護在洛陽城內理直氣壯，毫無顧忌。
長安、洛陽兩京的相繼收復，代宗以天下兵馬元帥身份立下了卓越戰功。肅宗返回京城之後，於至德二載（757年）十二月十五日，將他進封為楚王。
乾元元年（758年）三月，改封為成王，五月十九日，立為皇太子，十月五日，舉行了冊禮，確立了他的皇位繼承人地位。
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