至德二年一月（757年），在“安史之乱”爆发一年多后，安禄山被他的嫡次子安庆绪指使宦官李猪儿所害。唐肃宗在安禄山被谋杀之后，拒绝元帅府行军长史李泌先捣叛军巢穴范阳，消灭叛军后路的建议，而是决定先攻长安，将曾经的帝都夺回来。
至德二年四月，唐肃宗任命郭子仪为天下兵马副元帅，授以平定叛乱，收复两京(即西京长安、东京洛阳)的重任。五月，唐军在长安西面的清渠受挫，退保武功。闰八月二十三日，唐肃宗赐宴招待诸将，决定大举进攻长安。九月十二日，天下兵马元帅广平王李俶、副元帅郭子仪率兵十五万，并向回纥借骑兵四千，号称二十万，由凤翔出发，向长安推进。二十七日，进至长安城西香积寺北、沣水以东地区。唐军吸取了在清渠被叛军步骑夹击失败的教训，加大纵深部署，加强翼侧掩护，以李嗣业为前军，郭子仪为中军，王思礼为后军，长安叛军十万列阵于唐军之北。
在战斗开始之后，叛将李归仁领着前军率先发起冲锋，然后就被李嗣业领着大唐前军迎头痛击。李归仁的前军败退，被李嗣业一路驱赶到叛军大军阵前，接着李嗣业被叛军击退。叛军大部队撵着李嗣业的前军推进到了唐军阵前。再接着唐军的大部队迎战追过来的叛军。此时，安军埋伏于阵东的精骑，企图袭击唐军侧后，结果被唐军侦骑发现。朔方左厢兵马使仆固怀恩随即率领从回纥借来的四千骑兵，一举将这股要偷袭的骑兵歼灭；接着仆固怀恩又率军迂回到叛军军阵后，与唐军主力前后夹击安军。双方从中午一直厮杀到傍晚，唐军大获全胜，歼灭叛军六万余人，俘虏两万，叛军大败后溃逃到长安城内。仆固怀恩判断决战失败的叛军必将弃城逃跑，多次建议率部追击。唐军主帅广平王李俶以全军激战一日，将士疲惫为由，没有同意。叛军将领安守忠、李归仁、张通儒等乘夜率领剩余叛军东撤。二十八日，唐军收复长安。
因为叛军原本也是唐军，在与大唐其他勤王的藩镇士兵对战的时候，双方在战术和装备等方面都差不多。那么，对于双方将领来说香积寺这场战斗就只能拼硬实力，看那边的士兵能抗，那边的士兵先崩溃，结果就是战争双方一个旅一个团的填上去，死完了再填，最终打成消耗战了。香积寺一战唐军十五万，叛军十万，因为唐军在人数上占有优势，最终叛军没有抗住，被阵斩六万，俘虏两万。唐军与叛军双方阵亡人数加到一起，让香积寺之战一举成为了中国古代单日歼敌和阵亡的数量之最。
