九月十五日壬寅，唐军开进到沣水以东、香积寺西北的预设战场。这片战场位于长安城西南、终南山以北，阵地前方地形平坦、视野开阔，西侧是南北流向的贺兰渠和沣水，足以为部队左翼提供屏护，东侧有一道不太高的由终南山方向延伸过来的土塬——神禾原，原下人工水道纵横，林木茂密，地形比较复杂。
太阳已经升得很高，天空万里无云，秋天的上午空气干爽，幅员数十里的旷野上，烟尘腾起，唐军阵地旗幡飘舞、战鼓隆隆、战马嘶鸣，大队的步兵和骑兵穿着闪亮的盔甲、举着明晃晃刀枪，列着纵队往北推进。正前方，十万叛军已列好队形，严阵以待。
距离叛军数里，唐军排出三梯队长阵。李嗣业率安西、北庭等部队为前军，郭子仪率朔方军等部队为中军，王思礼率关内节度等部队为后军，朔方军左厢兵马使仆固怀恩带本部骑兵与回纥骑兵作为机动部队。
战争一开始，叛将李归仁率军挑战。李嗣业作为前军应战。唐军多次冲击叛军前阵，叛军阵型整齐，并不散乱。待唐军士气衰竭，叛军突然前插，箭如雨下、刀枪如林，李嗣业前军抵挡不住，队伍散乱，往后退却，叛军乘机抢夺唐军丢下的辎重。李嗣业见状大惊，大吼：
“今日不以身饵贼，军无孑遗矣！”
然后脱掉甲胄，裸着上身，手持陌刀，立于阵前，大呼奋击，被砍中者，人马俱碎，杀了数十叛军，才稳住阵脚。前军迅速整队，恢复阵线，李嗣业一马当先，率领将士各持陌刀，如墙而进，势不可挡，突前的战锋队生生将叛军阵形正面撕开一个缺口，后续的唐军一下从缺口拥入。叛军拼死想把缺口堵住，但面对如潮的唐军，一时很难达到目的。战斗中，都知兵马使王难得去救自己的部将，被箭射中眼眉，肉皮垂下，将眼遮住。王难得将箭拔出，撕掉肉皮，满脸是血仍死战不退。
这里陌刀阵，显示出了对骑兵独有的作用。陌刀阵，是唐朝发明的步兵专门对付骑兵的阵法。陌刀长1.5米，三人成阵。一人主攻，一人主守，一人协作。三三成九，九九成队。步兵对骑兵想胜利，就要靠过硬的素质和严明的纪律。陌刀阵便应此而生。
叛军眼看抵挡不住，便动用了隐藏在东部的轻骑部队，妄想给唐军出其不意一击，从而取得胜利。然而仆固怀恩率领的4000回纥骑兵早就等在了路上。回纥的骑兵战斗力果然强悍，在经过一番厮杀后，战胜了这支叛军的奇兵。
李嗣业前军不断扩大叛军防线上的突破口，将叛军阵形突贯到底，从叛军后侧杀出一条血路。回纥骑兵消灭完伏兵，也绕到了叛军阵形侧后，与李嗣业前军合为一处，两军反身从侧后方攻击叛军。二线朔方军组成的中军也压了上来，与前军对叛军形成夹击，叛军阵型大乱，随即崩溃。
三、结束：四时辰斩敌六万，收复长安肃宗落泪
这场战役史称“香积寺之战”，战役持续一共4个时辰，在这4个时辰里，六万叛军被消灭，两万多人被俘，整个战场血流成河，用人间地狱来形容再合适不过。
当“香积寺之战”大捷的消息传到唐肃宗耳朵里的时候，他当着满朝大臣的面喜极而泣，连连称好。
尽管由于李俶判断失误，让叛军首领逃跑，未能扩大战果。但是此战过后，给了全国唐军打了一针强心剂。让唐军不再害怕叛军，提高了唐军的士气。这一战，也让叛军内部出现了裂痕，未安史之乱的失败埋下了伏笔。有专家称，这一战，让唐朝延续了一百五十呢的寿命，此言不虚也。
