复叛称帝
虽然假装归降，史思明“外示顺命，内实通贼”，不断招兵买马，引起唐肃宗警觉。乾元元年（公元758年）5月，以乌承恩为副使，派到史思明军中作“策反”工作，想伺机杀掉这个居心叵测的反贼。李光弼也对乌知思严加嘱托，派他赶快行事。
乌承恩晚上多次打扮成妇人，夜入诸将家里“策反”。没想到这些蕃将出身的将领对史思明很忠心，转头向史思明告发。
由于没有实证，史思明也下不了手。在宾馆之中，史思明在乌承恩床下埋伏两个人。夜见，乌承恩与儿子密谈，说：“吾承上命除此逆胡！”床下两人闻言突出。
史思明马上带兵抓住乌承恩，搜出李光弼的书信以及写有应该诛杀的叛将名单。史思明等贼将大怒，大呼：“我们都投降了，怎么还对我们这样！”乌承恩是个怂包，咕咚跪下，说这些都是李光弼指使他干的。史思明大怒，杀掉乌承恩和他儿子以及从属两百多人，重新反叛。史思明的参谋耿仁智劝他不要反复，他却亲手用棍击碎这个跟了他三十多年的参谋的脑袋。
乾元元年（758年）九月，唐肃宗派遣郭子仪等九位节度领步骑二十万进攻安庆绪。十月，安庆绪连败于卫州（今河南卫辉）与愁思冈（今河南安阳南），三万五千人被斩，只得退入邺城（今河南安阳），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（今河北磁县），与邺城遥为声援，观望形势。
十一月，叛军魏州（今河北大名）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。十二月二十九日，史思明攻陷魏州，杀三万人，平地流血数日。
乾元二年正月（公元759年），史思明僭称大圣周王。
肃宗命令包括郭子仪和李光弼在内的九位节度使讨伐安庆绪。肃宗本来想派郭子仪作统帅，但考虑到郭子仪和李光弼功业相当，不好安排，便不设元帅一职，而是另外立了一个观军容使的名目，居然让一个叫鱼朝恩的宦官充任。当时郭子仪因为刚刚吃了败仗，便未急着出击。史思明于是趁机收集残兵，驻扎在邺南。而安庆绪则派人大搜官军溃散之后留下的营地，得到大批粮食。有了粮食，安庆绪又开始不买史思明的账。史思明派人对其进行严词谴责，安庆绪又害怕起来，甚至对史思明称臣。史思明回信说愿意略去君臣礼节，改称兄弟，且热情邀请安庆绪前来歃血同盟。待安庆绪冒冒失失地带着四个弟弟及部下孙孝哲、崔乾佑、高尚等人前去，史思明却换了态度，将安氏兄弟赐死，而将孙孝哲、崔乾佑、高尚等人处斩。
之后，史思明带兵进入邺城，收降安氏遗众，留下儿子史朝义驻守，自己还回到范阳，五月，更国号大燕，自称应天皇帝，年号顺天，立妻子辛氏为皇后，封儿子史朝义为怀王、周挚为宰相、李归仁为将军，改称范阳为燕京。
乾元二年（759年）三月六日，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、崔乾祐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。
于是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、崔乾祐等人。
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（今河南沁阳），又将史朝义留下镇守相州，自己率兵返回范阳。
四月，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。
乾元二年（759年）八月，史思明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（今河南浚县）渡河，直取滑州，史思明自领中军自濮阳，史朝义自白皋渡（今河南滑县东北），周贽自胡良渡（今河南濮阳西南）渡过黄河，会师于汴州（今河南开封）城下。
汴滑节度使许叔冀不能抵挡，与濮州刺史董秦一同投降，史思明任命许叔冀为中书令，让李归仁和他同守汴州。史思明很看重董秦，拍抚他的后背道：“我原先好比只有左手，如今得到你，右手也有了！”又命部将南德信率领汴州降卒南略江淮，约定“一旦成功，每人可取两大船装运赀财。”陈留守将田神功假意投诚，寻即袭杀南德信，统领其众复归于唐。
史思明乘胜向西攻克郑州，李光弼下令将洛阳官民迁入潼关，率两万众退保河阳三城，坚壁清野。九月二十七日，史思明进入已是空城的洛阳，一无所获，于是把城中寺院佛像搜括一空，送回幽州，又将自己在洛阳的旧宅大加扩饰，定名为“龙兴寺”。
十月，史思明与李光弼会战于河阳，派骁将刘龙仙到城下大骂挑战，李光弼帐下裨将白孝德策马出战，一举将其擒杀，叛军大骇。史思明军中多有良马，每日在河南岸沙洲上洗浴，李光弼挑选军中母马，一齐放至河岸嘶鸣，引得对岸一千余匹战马纷纷渡河来追，尽为李光弼所得。史思明愤恨不已，列战船百艘，以火船为先，欲烧毁浮桥，切断三城间通路。李光弼早有防备，用百尺长杆，头装铁叉，阻碍火船前进，又于浮桥上发射炮石，叛军战船多被击毁。
史思明无计可施，转而进攻河清（今河南济源），欲断绝李光弼粮道，李光弼进驻野水渡（今河南孟津北）防御。史思明认为李光弼善于守城，而短于野战，因之亟欲趁此机会将其生擒。不料李光弼留兵千人固守此地，当夜即返回河阳，叛军骁将李日越、高庭晖因不堪史思明严命，相继投降唐军。
史思明大怒，决定全力进攻河阳三城。李抱玉镇守河阳南城，以缓兵之计诓骗叛军，又出奇兵夹袭，叛军伤亡甚重。董秦见状，率部众五百人夜里突围，投奔李光弼。十二日，史思明命周贽领安太清、徐璜玉等部，攻河阳中潭城，自己继续进攻南城，中潭城守将荔非元礼率敢死队出栅奋击，叛军披靡。周贽转攻河阳北中城，战至中午，未分胜负。李光弼见叛军阵容不整，命郝廷玉、论惟贞以精骑驰突敌阵，麾指诸军齐进，呼声动地。周贽大败而逃，叛军死两千余人，徐璜玉被郝廷玉生擒，安太清奔回怀州。史思明正猛攻南城，见李光弼将五百多俘虏驱赶到河岸上，只好解围撤兵。
同月，史思明派李归仁领精骑五千进攻陕州，于礓子阪（今河南三门峡南）被卫伯玉所带数百骑击败，董秦则改名李忠臣，于永宁（今河南洛宁）、莎栅（今河南洛宁东北）之间屡挫叛军。
上元元年（760年）二月，李光弼进攻怀州，史思明出兵相救，在沁水河上交战，叛军被击杀三千多人。四月，史思明再度进攻河阳三城，以解怀州之围，却败于城西渚滩，又损失一千五百余人，只得退回洛阳。不久，李光弼收复怀州，安太清投降，田神功又袭破叛军于郑州，滑州刺史令狐彰亦脱身投唐，史思明处境愈加窘迫。
