拜检校太傅，加兼侍中，位列重臣，荣宠一时。
此时梁、唐两国主力大军，正于黄河沿岸犬牙交错、长期对峙，战事胶着，胜负难分。后梁一路兵马猛攻泽州，兵锋凌厉，晋南局势吃紧；祸乱再起，潞州守将李继韬举城叛降后梁。潞州乃是河东东南门户，一旦落入梁人之手，河东腹地便门户洞开，庄宗李存勖忧心忡忡。
军情危急之下，李存勖召来李嗣源密议破局之策。李存勖谋划出奇兵，远袭郓州，直插梁军侧翼，斩断梁军黄河战线的右臂，打乱对方整体部署。此计风险极高，郓州地处梁境腹地，远离唐军主力，孤军深入，稍有不慎便会全军覆没。李嗣源深知此役的凶险，却毅然领受重任。他亲自挑选五千步骑精锐，趁着夜色渡过济水，趁梁军防备松懈，发动突袭，一举攻破郓州。奇袭大获全胜，李嗣源因功授天平军节度使，坐镇郓州，扼守山东要地。
同年九月，后梁名将王彦章率领大军直扑郓州，意图夺回这处战略要点。李嗣源令养子李从珂统领骑兵出城迎击，两军大战于递坊镇。李从珂骁勇善战，大破梁军前锋，生擒梁将任钊以下三百余人。王彦章进攻受挫，无力继续强攻郓州，只能引军退守中都。
十月，战机成熟，李存勖亲率大军自杨刘渡黄河，直抵郓州，以李嗣源为全军先锋，挥师进击中都。唐军攻势凌厉，迅速攻破城池，生擒梁国大将王彦章。
拿下中都之后，帐下诸将大多主张稳扎稳打，建议先攻取青州、齐州、徐州、兖州等山东诸州，步步蚕食，再伺机进逼大梁。众将皆认为大梁是后梁国都，城防坚固，不宜冒进。唯独李嗣源力排众议，提出大胆的奔袭之策：梁军主力尽数被牵制在黄河前线，汴梁内部空虚，应当舍弃缓攻，长驱直入，直取后梁都城，一举覆灭梁国。
李存勖采纳此计。李嗣源亲率前军，日夜兼程，倍道急进，马不停蹄向汴州疾驰。十月初九日，大军兵临汴州城下，即刻挥军攻城。后梁朝廷众叛亲离，大势已去，梁帝朱友贞绝望自杀；梁将王瓒打开开封丘门，出城献城归降。立国十余年的后梁就此灭亡。
战后，李存勖迁都洛阳，论功行赏，擢升李嗣源为中书令，位极人臣，成为后唐朝堂军功第一的元勋。
同光二年（924年），李存勖于洛阳南郊举行祭天大典，昭告天下，并且特赐李嗣源铁券，许诺免其死罪，以示皇帝的信任与恩宠。不久，潞州发生兵变，叛将杨立据城作乱。李嗣源领兵前往平叛，迅速击破乱军，生擒叛首杨立，平定潞州之乱。平叛功成，朝
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