入夹城。周德威随后也攻破夹城西北角。李存勖趁机发动总攻，终于击破梁军，取得夹城大捷，彻底解除潞州之围。此战，李嗣源率先攻入夹城，功居第一。
天祐八年911年，李嗣源随李存勖参加柏乡之战。李存勖见梁军军容强盛，担心晋军怯战，便有意激李嗣源出战以鼓舞士气。他向李嗣源赐酒，道：“你看到梁军的白马都、赤马都了吗真令人胆战心惊。”李嗣源大笑，认为梁军虚有其表。他饮掉杯中酒，而后挺身上马，率部直冲梁军白马都，生擒两员骑校。晋军士气大振，皆奋勇向前，由辰时一直打到未时，终于击溃梁军，取得柏乡大捷。此战，李嗣源在梁军阵中往来冲杀，斩获颇多，因功升任代州刺史。
天祐十年913年，周德威征讨燕王刘守光，命李嗣源分兵攻取山后八军在今河北省太行山北端军都山迤北地区。李嗣源在广边军治今河北赤城南与燕将元行钦交战，虽七次射中元行钦，但最后也被元行钦射中大腿。元行钦最终不支请降，被李嗣源收为养子，后被李存勖索要至麾下。
天祐十三年916年，李存勖与梁将刘鄩在故元城在今河北魏县东交战。李嗣源率三千骑兵鼓噪奋击，与李存勖内外夹攻，大败梁军。他随后又攻占后梁所属的磁州治今河北磁县、洺州、相州治今河南安阳等地，被改任为相州刺史。九月，沧州守将毛璋投降晋军。李嗣源奉命到沧州安抚毛璋，不久又被任命为安节度使，出镇邢州。
天祐十四年917年，契丹围攻幽州治今北京，守将周德威遣使告急。李嗣源力主救援，并请率五千突骑为前锋。李存勖便让他与符存审、阎宝会师于易州治今河北易县，一同援救幽州。李嗣源分析敌我形势，采取“潜行溪涧，袭其不备”的战术，率军翻越大房岭在今北京周口店西，沿山涧东进。
他与养子李从珂拼死血战，击退契丹军的多次堵截，进抵幽州城外六十里处。当时，契丹骑军突然杀至。李嗣源纵马冲入敌阵，舞槌奋击，所向披靡，生擒契丹队帅。晋军随后进击，终于大败契丹，解除幽州之围。九月，李嗣源班师，进拜检校太保。
天佑十八年921年，李嗣源联合河中节度使朱友谦、昭义节度使李嗣昭、沧州节度使符存审、定州节度使王处直、天平节度使阎宝、大同节度使李存璋、新州节度使王郁、振武节度使李存进、同州节度使朱令德，三次上表劝进，请李存勖称帝，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。同年十月，李嗣源在戚城在今河南濮阳大破梁将戴思远，斩首二万级，升任蕃汉内外马步副总管，并加授同平章事衔。
后唐同光元年923年，李嗣源调任横海军节度使。四月，李存勖在邺都治今河北大名东北称帝，建立后唐，是为后唐庄宗。李嗣源进拜检校太傅，兼任侍中。当时，梁唐两军主力对峙于黄河沿岸，一路梁军正急攻泽州治今山西晋城，而后唐潞州守将李继韬却叛附后梁。唐庄宗便与李嗣源商议，欲出兵奇袭郓州，以切断梁军右翼。李嗣源亲率五千步骑渡过济水，趁梁军不备袭破郓州，被拜为天平军节度使。
同年九月，梁将王彦章率军进逼郓州。李嗣源命李从珂率骑兵迎战，在递坊镇大败梁军前锋，俘获梁将任钊等三百人，迫使王彦章退屯中都治今山东汶上。十月，唐庄宗自杨刘在今山东东阿北渡河，进抵郓州，并以李嗣源为前锋，攻破中都，擒获王彦章。当时，唐军诸将都认为应先攻占青州、齐州治今山东济南、徐州、兖州等地，再乘机而动。
李嗣源却力排众议，建议奔袭汴州，攻取后梁国都。他率前军倍道兼程，于初九日抵达汴州，而后挥军攻城。梁帝朱友贞自杀，梁将王瓒开封丘门迎降，后梁正式灭亡。不久，唐庄宗迁都洛阳，升任李嗣源为中书令。
同光二年924年，唐庄宗在南郊祭天，并赐李嗣源铁券。不久，李嗣源平定潞州叛乱，擒获叛首杨立，被调为宣武军节度使，兼任蕃汉内外马步军总管。同年十二月，契丹南侵。李嗣源又率军北征，在涿州大败契丹。
同光三年925年，李嗣源调任成德军节度使，移镇镇州治今河北正定。此时的唐庄宗早已荒怠政务，纵容宦官、伶人乱政，还无罪诛杀郭崇韬、朱友谦等功臣。李嗣源因位高权重，也受到庄宗的猜忌。
十二月，李嗣源自镇州入朝，庄宗竟让诸军马步都虞候朱守殷对他进行监视。朱守殷暗中告诫李嗣源，称他已到“德业振主者身危，功盖天下者不赏”的地步，让他早做打算。但他却不为所动。当时，李嗣源常遭流言毁谤，幸有枢密使李绍宏为其开脱，方免遭杀害。
同光四年926年二月，魏博戍卒在贝州治今河北清河哗变，推赵在礼为首领，攻入邺都。唐庄宗初命元行钦征讨，但却连连失利，只得起用李嗣源，让他率从马直皇帝亲军番号北上，会合元行钦平叛。三月，李嗣源抵达邺都，驻扎于城西南，并定下攻城日期。从马直却在攻城前夜哗变，劫持李嗣源，声称要与邺都叛军合势，拥其称帝河北。
赵在礼率将校出城迎拜，将李嗣源迎入邺都，但不许乱军入城。李嗣源借口收抚散兵，逃出邺都，抵达魏县。24他命牙将张虔钊前往元行钦营中，召其前来一同平乱。元行钦却疑其有诈，率一万步骑退至卫州治今河南卫辉，诬奏李嗣源与叛军合谋叛乱。
李嗣源初抵魏县时，部下不满百人，后召集霍彦威所部五千镇州军，才稍微恢复了些兵力。他欲返回成德藩镇，等待皇帝降罪。但霍彦威、安重诲皆反对，建议他返回朝廷，向皇帝当面自辩。李嗣源遂率军南归，并数次上表申诉，向唐庄宗表明心迹，但皆被元行钦阻遏，未能上达。
当时，李嗣源长子李从璟正在洛阳禁军效力，奉庄宗之命去招抚李嗣源，也被元行钦扣留在卫州。李嗣源疑惧不安，乃采纳女婿石敬瑭的建议，决定攻取汴州，谋求自立。齐州防御使王晏球、贝州刺史房知温、北京右厢马军都指挥使安审通、平卢节度使符习皆拥戴李嗣源，率部前来与其会合。李嗣源兵力大增。
唐庄宗亲自率军东征，欲坐镇汴州指挥平叛。他命龙骧指挥使姚彦温率八百马军为前锋，又命指挥使潘环率军护卫粮草。姚彦温、潘环皆投降李嗣源。这时，李嗣源已抢先占据汴州。庄宗知道局势已不可挽回，行至万胜镇在今河南中牟西北便下令回师，仓皇返回洛阳。士卒沿途逃散过半。
他决定前往汜水关在今河南荥阳西北，会合长子李继岌统率的征蜀大军，再联兵进剿李嗣源。从马直指挥使郭从谦突然发动叛乱，率所部攻入兴教门。庄宗亲率宿卫出战，结果中流矢而死。当时洛阳大乱，通王李存确、雅王李存纪等宗室诸王皆逃散。朱守殷遣使到李嗣源军中，请他速入京城，安定局面。
同年四月，李嗣源率军入洛阳，命诸将平定京中乱势。他让百官各安其职，等待李继岌回京继位，并表示自己在安葬庄宗后便会归藩成德。宰相豆卢革、韦说与枢密使李绍宏、张居翰率百官劝进，皆被拒绝，又改请李嗣源监国。李嗣源遂入居大内兴圣宫，以监国的名义接受百官朝拜。
他任命石敬瑭为陕州留后，以防备征蜀大军，同时命各地访寻诸王。安重诲暗中派人杀死李存确、李存纪。申王李存渥、永王李存霸则被乱军所杀，薛王李存礼、皇子李继嵩、李继潼、李继蟾、李继峣皆不知所踪。不久，魏王李继岌在渭南自缢而死，征蜀大军则在任圜的率领下归附李嗣源。李嗣源称帝的障碍被全部扫清。
天成元年926年四月二十日，李嗣源在西宫称帝。他身穿斩衰之服，即位于李存勖的灵枢之前，以表示自己是合法继承，而非篡夺。