李存勖亲自率军援救潞州，抵达潞州北面的黄碾，梁军本以为李存勖年轻继位，必然不敢出军，对此毫无防备，也未派出斥候探查。李存勖伏兵于三垂冈下，趁着大雾直攻夹寨，出其不意的大破梁军，彻底解除了潞州之围，经此一战，晋国兵威大振。不久，李存勖返回太原，犒赏军士，而后开始整顿内政，他严肃军纪、抚恤孤寡，任用贤才，惩治贪腐，宽缓刑罚，打击盗贼，使得晋国民俗大变，百姓归心。

朱温遣军三千进驻深州、冀州，企图夺取成德、义武两镇。成德节度使王镕、义武节度使王处直先后遣使向李存勖求援，表示愿与晋国结成反梁同盟，共推李存勖为盟主。李存勖力排众议，毅然发兵相救，他亲率晋军东进，进至距离柏乡五里处的野河北岸，与梁军隔河对峙。

李存勖命周德威率三百精骑到梁军营前挑战，激怒梁将王景仁，将梁军诱至鄗邑以南的平原旷野地带，他利用地形优势，以逸待劳，在梁军疲惫时率骑兵突击，大破梁军，俘获梁军将校二百八十五人，斩首二万级。此战，梁军伏尸数十里，龙骧、神威、神捷等精锐禁军全军覆没，王景仁、韩勍、李思安仅率数十骑连夜逃归，成德镇、义武镇从此彻底倒向晋国。

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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，