叛军惨败于陕郡，安庆绪放弃洛阳，逃往邺郡，麾下大将北平王李归仁借机率三万曳落河、同罗、六州胡精兵逃往范阳，途中大肆抄掠。史思明一面重兵防备，一面派使者招抚，李归仁遂率曳落河、六州胡人归附史思明，同罗部不服，史思明发兵大败之，击杀三千余人，尽获其所夺物资。安庆绪退至邺郡后，拼死一搏击破唐军，声威复振，蔡希德、田承嗣、武令珣等人纷纷来投，军势达六万之众。然其此后不恤政务、通宵宴饮，麾下高尚等谋臣争权夺利，加之听信张通儒谗言，擅杀大将蔡希德，人心逐渐离散。
史思明兵势愈盛，安庆绪十分忧虑，遂派遣阿史那承庆、安守忠、李立节前往河北诸郡征集兵马，并密谋除掉史思明。范阳节度判官耿仁智趁机进言道：“将军之所以为安氏效力，是因为迫于他们的威势。如今唐朝中兴，皇帝贤明，将军若能率领部下将士归服朝廷，实在是转祸为福的一条出路。”乌承恩族弟乌承玼又说：“而今唐朝复兴，安庆绪就好似树叶上的露水，难以长久。将军何必与他一起灭亡呢。如果归顺朝廷，洗刷掉叛逆的罪名，如同反掌。”史思明深以为然。
阿史那承庆以五千精骑护卫，来到范阳，史思明领全部兵众数万人相迎，又派人对阿史那承庆等人说：“诸位远来，将士们不胜欣喜，但身为边卒素来胆怯，见大军前来惶恐不能自安，愿弛弓解甲，以慰众心。”承庆与史思明是故交，因而应允。史思明引着承庆等人到内厅中饮宴，另派人收缴了其部下甲仗武器，对各郡征调士卒全部发给资粮放遣，愿留者重加赏赐，分配各营。次日，拘禁阿史那承庆，斩杀安守忠、李立节，奉表以所辖十三郡及八万兵士归降朝廷，又联络河东节度使高秀岩一同投降。唐肃宗非常高兴，封史思明为归义郡王、范阳长史、御史大夫、河北节度使，其子史朝义等封为列卿，又派乌承恩与宦官李思敬前来安抚史思明，命他率部讨伐安庆绪。
史思明遂派遣史朝义率五千人代理冀州刺史，以琐高之子张忠志为幽州刺史，以薛萼摄恒州刺史，以令狐彰代理博州刺史，乌承恩在所到之处宣示诏书，河北各州郡除安庆绪所据的相州外，全部归顺唐朝。史思明表面归降唐廷，私下却与叛军多有来往，加之不断招兵买马，引起唐肃宗警觉，李光弼也认为他终究还会反叛，推荐以乌承恩做为内应，任命乌承恩为河北节度副大使，又赐给阿史那承庆铁券，让他们伺机除掉史思明。
乌承恩用私财招募家兵，多次穿着破旧的衣服到各营诱说士卒，诸将向史思明告发此事，史思明怀疑事不确凿，没有追查。这时乌承恩同宦官李思敬由京城前来慰问，宣旨后，史思明留乌承恩住在馆舍，暗中派两个人埋伏在床下。半夜，乌承恩悄声对他的儿子说：“我受皇命除掉史思明这个逆贼，事成后朝廷定会以我为节度使。”这时伏在床下的二人大呼而出，史思明抓捕乌承恩，搜查行囊，得到了铁券和李光弼的公文，公文说：“如果阿史那承庆能够成事，就付给铁券，否则不要付给他。”又搜得与史思明同反将校的名单。史思明责骂乌承恩说：“我哪里对不起你，竟干出这种事。”乌承恩谢罪说：“我罪该万死，但这都是李光弼的计谋!”于是，召集将吏百姓，向西大哭说：“我率领十三州之地，十万众之兵归顺国家，赤胆忠心，不负陛下，陛下为何要杀我。”然后，将乌承恩父子及支党二百余人乱棍打死，只有乌承玼事先逃走，幸免于难。史思明囚禁了李思敬，并上表朝廷抗议，肃宗派宦官安慰史思明说：“此事乃乌承恩一人所为，非是朕与李光弼之意，他被杀是罪有应得。”
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不久，三司处置投敌官吏罪状的文书传到范阳，史思明对诸将说：“陈希烈等人都是朝廷重臣，上皇弃之不顾，自己逃向蜀中避难，如今天下收复，他们尚且不能免于一死，何况我们这些本就跟随安禄山反叛的人。”于是，令判官耿仁智与幕僚张不矜作表书说：“陛下若不诛杀李光弼，我亲自率兵前去太原杀死他。”将要入函封缄时，耿仁智把上面的话全部删去，史思明得知后把二人处死。耿仁智久居史思明帐下，史思明爱怜他，想饶他一命，于是就把他召进来说：“我重用你快三十年了，今日之事绝非我负于你。”耿仁智大声说：“人终有一死，若为忠义而死，是死得其所。如今再随你反叛，不过是苟延残喘，还不如速死为好。”史思明听后大怒，亲手用棍击碎了老部下的脑袋。
唐肃宗派遣郭子仪等九位节度领步骑二十万，进攻安庆绪，安庆绪连败于卫州与愁思冈，三万五千人被斩，只得退入邺城，婴城固守。见形势危急，安庆绪连忙派薛嵩向史思明求救，并以帝位相让，史思明发范阳兵十三万前来，却不敢冒然进军，只派部将李归仁率一万兵马驻于滏阳，与邺城遥为声援，观望形势。叛军魏州刺史萧华举城而降，诏令崔光远代为刺史，史思明乘机大举进攻魏州，崔光远初到城中，轻信叛军谣言，处死骁将李处崟，自毁军心，史思明攻陷魏州，杀三万人，平地流血数日。
攻破魏州后两天，在魏州城北设坛祭天，自称“大圣周王”，任命周贽为行军司马。李光弼此时提议与朔方军联兵进逼魏州，使史思明不敢出战，之后再收复邺城，安庆绪一旦被消灭，史思明也会随之失势，而观军容使鱼朝恩却认为此计不可行，因之作罢。唐军包围邺城后，堵塞漳水灌城围困，从冬到春，城中粮尽，然而安庆绪拼死顽抗，固而久攻不下，各路官军无统一指挥，军卒疲困，士气低迷。
史思明见状果断出兵，距邺城五十里扎营，挑选精锐骑兵，日夜袭扰城下，又派出死士伪装官军，妄杀运粮将士，焚夺粮饷物资，神出鬼没，聚散无常，致使唐军粮草匮乏，人心涣散。史思明见时机成熟，遂引兵直抵城下，与唐军约期会战。唐军步骑近六十万在安阳河北岸列阵，史思明亲自率精兵五万来敌，诸军望见后以为只是游军，未加注意，史思明指挥军队奋力冲杀，李光弼、王思礼、许叔冀与鲁炅领兵迎战，死伤各半。后方的郭子仪尚未布阵，忽然间天气突变，狂发大起，飞沙走石，咫尺之间，人马莫辨，两军大惊，叛军向北溃退，唐军此时斗志全无，也向南大规模溃散，丢弃的甲仗辎重堆积于路，史思明派周贽追击，被退守河阳的郭子仪击退。
史思明得知官军败退后，整顿兵马，驻于邺城城南，安庆绪获得郭子仪营中数万石粮食，于是与孙孝哲、崔乾佑等谋划闭门抗拒史思明，诸将不从。而史思明则每日犒赏士卒，既不追击官军，也不与安庆绪通信，张通儒、高尚等人对安庆绪说：“史王远来救援，我们都应该去迎谢。”安庆绪没有阻拦。史思明与他们见面时涕泗横流，重加礼赏后又放回城中，其后又请安太清劝诱安庆绪出城。安庆绪不知所措，只好派安太清向史思明上表称臣，等待史思明解甲入城后，奉上皇帝印玺。史思明览表后说：“何必要这样呢！”于是回信道：“愿作兄弟邻国，互为表里，鼎足而立。称臣之事，万不敢接受。”安庆绪大喜过望，请求与史思明歃血结盟，史思明同意。
安庆绪率三百骑来到史思明营中，史思明命令手下军士全副武装，然后引安庆绪等人进入大帐，安庆绪叩头再拜说：“作为臣下我治军无方，丧失东西二京，久陷重围，没想到大王看在太上皇的情份上，远来救危，使我得以复生，恩深如海，终生难报。”史思明忽然大怒说：“丢失两京，何足挂齿！你身为人子，杀父篡位，天地不容，我要为太上皇讨伐你这个逆贼，岂能被你的谄媚虚辞欺骗！”下令推出斩首，安庆绪以目示意周贽，望其说情，周贽说：“安庆绪做过君王，理应赐死。”于是，将安庆绪连同四个弟弟缢死，又诛杀了高尚、孙孝哲、崔乾佑等人，随后史思明整军入邺城，击杀安庆绪亲军三千三百多人，吞并了安庆绪的兵马与地盘，派安太清率兵五千攻取怀州，又将史朝义留下镇守相州，自己率兵返回范阳。
史思明自称大燕应天皇帝，改元顺天，立其妻辛氏为皇后，史朝义为怀王，以周贽为宰相，李归仁为大将军，改范阳为燕京。让小儿子史朝清留守幽州，以阿史那承庆、张通儒、向贡、高鞫仁等人辅佐，令各郡太守各率三千兵集结帐下，兵分四路入寇河南诸州郡：先遣令狐彰部五千人由黎阳渡河，直取滑州，史思明自领中军自濮阳，史朝义自白皋渡，周贽自胡良渡渡过黄河，会师于汴州城下。