遂以丁会为昭义节度使，镇守潞州。

不久，李嗣昭又兵出阴地关，攻入河中镇，连取慈州、隰州。当时，朱温正发动凤翔之战，以争夺对唐昭宗的控制，李克用遂趁机攻打朱温。李嗣昭自沁州直趋晋州，在晋州大败梁军，随后与周德威进屯蒲县，但却因兵力不足被氏叔琮打得大败，只得退回河东，梁军乘胜夺回慈、隰、汾三州。

李克用命李存信率亲军迎击梁军，但亦败于清源，梁军逼近晋祠，再次围攻太原。当时，太原城中兵力很少，周边藩镇也大都已归附于朱温，太原孤立无援。李克用昼夜上城指挥防御，不得寝食，甚至打算听从李存信的建议，弃城逃往云州，李嗣昭、周德威及李克用的夫人刘氏皆力主坚守太原，最终打消了李克用的弃城之念。

晋军溃兵不久逐渐返归太原，太原城中人心始稳，李嗣昭与李嗣源等又亲率敢死之士，多次夜入梁军营寨，袭击骚扰。梁军疲于应对，最终只得引兵撤退，李嗣昭率军追击，在白壁关大败梁军，重新收复慈、隰、汾三州。此后，李嗣昭又率军相继讨平云州都将王敬晖、振武军部将契苾让的叛乱。

梁军再次进攻沧州，刘仁恭又向李克用求援，李克用遂命李嗣昭、周德威攻打昭义镇，以牵制梁军。刘仁恭亦遣军配合。昭义节度使丁会开城迎降，李克用再次控制了昭义镇，并以李嗣昭为昭义节度使，镇守潞州，朱温遂由沧州撤军。

朱温篡唐称帝，建立后梁，史称梁太祖，但李克用拒不承认后梁政权，仍沿用唐朝天佑年号，以复兴唐朝为名与后梁相对抗。当时，朱温先后以康怀英、李思安为主将，率十万梁军围攻潞州，并修筑夹城，断绝潞州内外联系。李嗣昭闭城拒守，并斩杀后梁的招降使者，以示拒降，李克用亦命周德威率诸军援救，虽屡破梁军，但却始终未能解除潞州之围。

李克用病逝，长子李存勖袭位，梁军认为李存勖“少年嗣位，未习戎事”，认为攻取潞州的大局已定，放松了对晋军的戒备，竟不再派出斥候侦察。李存勖却出其不意，亲自率军驰援潞州，伏兵于潞州城外三垂冈，趁雾直攻夹城，将毫无防备的梁军打得大败溃走，彻底解除潞州之围。当时，潞州被围年余，城中军民死伤过半，百业萧条，李嗣昭放宽法律，减免租税，劝课农桑，打击盗寇，一两年间便使得潞州“军城完集，边鄙不耸”。

晋军在胡柳陂之战中先胜后败，周德威战死，各军皆陷入乱战，李存勖集合散兵，占据一座土山自保，梁军则在土山西面列阵。当时，李存勖及部分将领打算收兵回营，准备明晨再战，李嗣昭与李建及等皆极力反对，认为不能给梁军修整的机会。李存勖遂命李嗣昭、李建及率骑兵下山冲杀，终于反败为胜，击溃梁军。

李嗣昭代理了三个月的幽州节度使，他离任之时幽州百姓“号泣请留，截鞍惜别”，最终夜遁才得以离去。河中节度使朱友谦叛梁降晋，被梁将刘鄩围困于同州，李嗣昭与符存审率军驰援河中，在同州、渭河两次大败刘鄩，一直追击至奉先一带，并拜谒唐朝诸帝皇陵。

李嗣昭以昭义节度使的身份，联合河中朱友谦、横海符存审、安国李嗣源、天平阎宝、大同李存璋、振武李存进等十镇节度使，一同遣使劝进，请李存勖建国称帝，并各献货币数十万，作为其登基建国的费用，但均被李存勖拒绝。

契丹军大举南下，进犯涿州、定州等处，李嗣昭又率部北上，随李存勖抵御契丹军。李存勖在新城大败契丹军，却在随后的望都之战中被契丹军重重围困，李嗣昭亲率三百骑兵，横击契丹军阵，在阵中往来冲杀，保护着李存勖突围而出。李存勖随即纵兵奋击，终于击溃契丹军，俘斩数千，缴获毡裘、毳幕、羊马不可胜纪，乘胜追袭至幽州，契丹军最终只得退回漠北。

李存勖在对战契丹之前，便命阎宝率一支军队