符存審進據德勝城，並夾河修築南北兩城，梁將賀瑰圍攻德勝南城，並以竹索連結戰船橫列河面，將李存勖所率援軍阻在黃河北岸。李建及率三百勇士，乘船駛至河中，斧劈火燒，衝破了梁軍船陣，李存勖乘勢揮軍渡河，大敗梁軍。後來，梁將王瓚從黎陽渡河，屯據楊村渡，修造浮橋，儲存大量軍需物資，而李存勖也徵發數萬民丁，擴建德勝北城。當時，梁晉兩軍每日大小百餘戰，互有勝負。
河中節度使朱友謙攻取同州，叛梁降晉，結果遭到劉鄩的圍攻，遣使向李存勖求援。李存勖命符存審、李嗣昭、李建及出軍援救，在同州、渭河兩次大敗劉鄩，並追擊至奉先一帶，河中鎮從此歸附於晉國。
成德軍將張文禮煽動兵變，李存勖迫於形勢，授其為成德兵馬留後。不久，河中、昭義、橫海、成德等十一藩鎮，一同遣使勸進，請李存勖建國稱帝，被李存勖拒絕。李存勖命閻寶征討成德鎮，圍困鎮州，張文禮驚懼病死，其子張處瑾接掌軍事，繼續負城頑抗。義武節度使王處直勾結耶律阿保機，引契丹軍南下，意圖背叛李存勖，結果被義子王都囚禁。王都繼任節度使，被契丹軍圍困在定州。
李存勖親率五千鐵騎北上，先後在新城、望都大敗契丹軍，解除定州之圍，並乘勝追擊至幽州，但與此同時，晉軍在鎮州卻連連失利，損兵折將。閻寶攻城受挫，羞憤病逝，繼任主帥李嗣昭、李存進相繼戰死。而梁軍則趁虛反撲，攻克衛州、新鄉等地，重新奪回河北重鎮相州。鎮州終因久被圍困，糧盡力窮，被符存審攻破，張處瑾及黨羽張處球、高蒙、李翥等皆俘送魏州處死，張文禮也被劈棺戮屍，李存勖又兼領成德節度使，將成德鎮直接納入晉國管下。
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李存勖接受諸鎮勸進，在魏州稱帝，改天佑二十年為同光元年，沿用“唐”為國號，又追贈父祖三代為皇帝，與唐高祖、唐太宗、唐懿宗、唐昭宗並列為七廟，以表示自己是唐朝的合法繼承人，史家稱之為後唐。當時，後唐轄有魏博、成德、義武、橫海、幽州、大同、振武、雁門、河東、河中、晉絳、安國、昭義等十三個節鎮、五十個州。
後唐建立的同時，仍面臨著嚴峻的形勢。契丹不斷侵擾幽州，兵鋒直逼河北。潞州守將李繼韜叛附後梁，梁將董璋急攻澤州，意圖吞併昭義鎮，直接威脅後唐西都太原的安全。李存勖為了扭轉戰局，決定趁梁軍東面防守空虛之機，出兵奇襲鄆州，以切斷梁軍右翼，再伺機進圖汴州。李存勖命李嗣源率五千步騎，連夜冒雨渡河，一舉襲破鄆州，朱友貞聽聞鄆州失守，命王彥章率軍阻止唐軍西進，李存勖命朱守殷嚴守德勝，自率親軍進屯澶州。
王彥章出兵楊村渡，攻克德勝南城，繼而順河東下，攻打楊劉城。他打算先隔斷河北唐軍與鄆州的聯絡，再圖收復鄆州。而李存勖則命朱守殷放棄德勝北城，裝載軍需器械浮河而下，協助李周固守楊劉城，兩軍各自沿河一岸疾進，邊行邊戰，互有勝負。不久，王彥章進抵楊劉城下，揮軍強攻，晝夜不息，並以鉅艦九艘橫亙河津，阻攔唐軍增援，他屢攻不克，只得退屯城南，築壘連營，以阻擊唐軍渡河。
李存勖親臨楊劉，一面命唐軍出營挑戰，牽制梁軍兵力，一面命謀臣郭崇韜領兵奔赴博州，在黃河東岸修築新城，以接應鄆州唐軍。王彥章率軍急攻博州新城，還用十餘艘鉅艦置於黃河中流配合作戰，郭崇韜據城堅守，李存勖亦率軍自楊劉增援。王彥章只得撤軍，退保鄒家口。李存勖與鄆州李嗣源重新恢復了聯絡，王彥章復攻楊劉，再次被唐軍擊敗，遂撤師西歸，退保楊村，不久便被召回汴州，段凝接任主帥。
朱友貞部署四路反擊：命段凝攻澶州、董璋攻太原、霍彥威攻鎮州、王彥章攻鄆州，打算在十月向後唐發動總攻，但因兵力分散，造成汴州防守空虛。他還命梁軍掘開滑州南面的黃河大堤，以阻止唐軍進攻汴州，但同時也將梁軍主力阻隔在決河以北。梁將康延孝投降後唐，將後梁軍情盡數告知李存勖，建議唐軍趁虛襲取汴州，而李嗣源則在鄆州附近大敗王彥章，俘獲梁軍將校三百餘人，迫使梁軍退保中都。
李存勖自楊劉渡河，進抵鄆州，並以李嗣源為前鋒，攻破中都，俘殺王彥章。當時，諸將都認為應先攻佔兗州等地，再乘機而動，李嗣源則堅持趁虛襲汴的戰略。李存勖命李嗣源率前軍倍道兼程，向汴州進發，李嗣源抵達汴州，揮軍攻城。朱友貞自殺，梁將王瓚開城投降，李存勖於同日抵達，由大梁門進入汴州，後梁正式滅亡。
梁晉爭霸期間，南方還存在很多割據政權，其中前蜀據有三川指劍南西川、劍南東川、山南西道），定都於成都，其國主稱皇帝，與後梁分庭抗禮。後主王衍在位時，奢侈淫靡，大興土木，委政於宦官、狎客，縱容太后、太妃賣官鬻爵，致使朝政敗壞，貪腐成風，還在國內四處巡遊，強制沿途州縣供應食宿，百姓苦不堪言。後唐滅梁，威震天下，岐國、楚國、吳越國、閩國、南平國等割據政權紛紛入貢稱藩，前蜀卻不肯臣服，李存勖便有意討平前蜀。
客省使李嚴出使前蜀，趁機刺探蜀中虛實，他歸國後極力主張伐蜀，稱蜀國已有亡國之象，更堅定了李存勖出兵滅蜀的決心。當時，前蜀為了防禦後唐，在兩國邊界駐有重兵，李存勖又遣使者李彥稠入川，表示要與蜀國修好，以此麻痺王衍。王衍信以為真，派翰林學士歐陽彬為唐蜀通好使，出使後唐，同時還撤除了邊界守備。
李存勖以魏王李繼岌為主帥，統領六萬大軍，征討前蜀。李繼岌年幼，軍務皆有副手郭崇韜決斷，唐軍以康延孝、李嚴為前鋒，連克威武城、鳳州、興州等地，繳獲大批糧草。而與此同時，王衍仍在國內巡遊作樂，到達利州時方知唐軍來犯，他急忙組織三萬兵馬迎戰，卻被唐軍擊潰於三泉，前蜀各處藩鎮紛紛來降，王衍倉皇逃回成都。
前蜀中書令王宗弼發動政變，囚禁王衍、后妃及諸王，自稱西川兵馬留後。他以王衍的名義邀請李嚴到成都，商談投降事宜，李嚴馳入成都，撫慰前蜀官吏、百姓，命蜀軍撤去成都的軍事防備。不久，李繼岌率大軍進抵成都。王衍率百官出城拜降，前蜀正式滅亡，南方諸國皆驚懼不已。
魏博戍卒在貝州譁變，推裨將趙在禮為首領，攻入魏州。邢州、滄州也相繼發生兵變，河北大亂，元行欽帶兵進討，但卻連連失利。李存勖本欲親征，被宰臣勸阻，只得起用李嗣源，讓其率侍衛親軍北上平叛，李嗣源在魏州城下遇到親軍譁變，被劫持入城，與叛軍合勢。他本無反意，但迫於內外形勢，又無以自明，只得率變兵南下。
李存勖親自率軍東征，欲坐鎮汴州指揮平叛，但李嗣源已搶先佔據汴州，得到大批唐軍將領擁戴。李存勖知道局勢已不可挽回，行至萬勝鎮便下令回師，倉皇返回洛陽，他再三撫慰士卒，許以厚賞，但已為時太晚，士卒均不感皇帝恩德，沿途逃散過半。當時，李繼岌已率徵蜀大軍班師，途中因平定後軍康延孝叛亂，被耽誤了歸程。
李存勖決定前往汜水關，與李繼岌會合，再聯兵進剿李嗣源，他命扈從軍兵候於宮門外，自己在內殿進食。從馬直指揮使郭從謙突然發動叛亂，率所部攻入興教門，李存勖親率宿衛出戰，殺死數百亂軍，最終被流矢射中，死於絳霄殿，時年四十三歲。
伶人善友將樂器覆蓋在李存勖身上，縱火焚屍，李繼岌軍至渭南，因部屬潰散，被迫自縊而死。徵蜀大軍則在副使任圜的率領下，歸附李嗣源，李嗣源進入洛陽，在李存勖靈前稱帝，史稱後唐明宗。李嗣源將李存勖葬入雍陵，上廟號莊宗，追諡為光聖神閔孝皇帝。
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