任命李嗣業和中郎將田珍擔任左，右陌刀將。當時吐蕃十萬軍隊駐紮在娑勒城，靠山臨河，用木材修成城寨來抵禦唐軍。
高仙芝夜裡偷渡信圖河，下命令說:“到中午打敗敵人，不然都處死。”
李嗣業率領步兵登上高山，往下推石頭砸擊吐蕃軍。單獨扛著大旗帶頭衝向險路，眾將都跟著他。
吐蕃軍沒料到唐軍突然到達，因此大敗。跳下山崖摔死，投水溺死的有十分之八九。唐軍乘勝進軍到勃律城。
抓獲小勃律國國王，吐蕃公主，斬斷藤橋，派兵三千戍守。於是小勃律國平服，拂林，大食國等七十二國都歸順唐朝。李嗣業因功升任右威衛將軍。
天寶十年，李嗣業跟隨高仙芝討平石國和突騎施，以跳蕩先鋒加封特進官兼任本官，敵軍都稱他為“神通大將”。
先前高仙芝靠用計偷襲攻佔石國，俘虜石國國王。石國國王之子逃跑，就挑撥各族都怨恨高仙芝並與大食國聯合準備進攻四鎮。
高仙芝得知後率領胡漢兩萬軍隊進攻大食國深入其國境七百餘里到怛羅斯城時與大食軍隊遭遇
雙方相持五日，此時葛羅祿部眾反叛唐朝與大食夾攻唐軍。高仙芝大敗，士卒陣亡殆盡。
僅剩殘餘士卒數千人當時情況非常緊急，李嗣業對高仙芝謀劃說:“您率兵深入敵境，後無援兵。大食軍乘勝進攻，其他各族軍隊也將勇猛敢鬥，我和您都前去戰死誰來報效國家呢？不如退守白石嶺考慮退兵。”
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高仙芝說:“我正召集被打散的軍隊，明天再和他們交戰。”
“大勢已去，不能坐等殺頭。”李嗣業說完，於是立即趕去扼守白石嶺。由於道路狹窄，所以只能步兵，騎兵一個跟著一個前進。
恰逢遇上拔汗那退兵，輜重車堵住道路不能過。李嗣業怕被追上，於是手拿大棒打他們，士兵和馬匹被打倒的有幾十上百，拔汗那的異族軍嚇跑，高仙芝才得以生還。
高仙芝向朝廷奏報李嗣業的功勞，朝廷升任李嗣業為右金吾大將軍，留任疏勒鎮使。
天寶十二年，朝廷加任李嗣業為驃騎大將軍。
天寶十四年，平盧，范陽，河東三鎮節度使安祿山造反。安史之亂爆發，唐玄宗逃往蜀地避難，長安，洛陽兩京陷落。
此時皇太子李亨在靈武稱帝，是為唐肅宗。遙奉唐玄宗為太上皇。
唐肅宗至德元年，唐肅宗李亨徵調李嗣業回來。詔書一到，李嗣業就率軍上路並和眾將割破手臂起誓說:
“我們路過的地方一定要秋毫無犯，甚至一草一木都不能毀壞。”
到達鳳翔後拜見唐肅宗，唐肅宗高興地說:
“現在有你統兵，勝過有幾萬軍隊，討賊能否成功全靠你們了。”
於是下詔命李嗣業和郭子儀，僕固懷恩配合行動。李嗣業常常擔任先鋒，用大棒揮擊敵軍，叛軍遇到他必敗，可謂是所向無敵。後升任四鎮，伊西，北庭行軍兵馬使收復兩京。
至德二年，長安，洛陽還未收復。而唐肅宗身在鳳翔，同年九月，李嗣業跟隨廣平王李豫前往收復長安。當時李嗣業率領前軍，郭子儀率領中軍，王思禮率領後軍。大軍到達長安城西后，在香積寺北面，灃水東岸結成陣列。
十萬叛軍在北面列陣，叛軍將領李歸仁率領精銳騎兵出陣挑戰，唐軍用箭射退他們，後派騎兵出擊。
逼近叛軍陣中，叛軍一齊前進，唐軍退卻。叛軍乘機突進，唐軍驚亂。
唐軍陣形混亂，這時李嗣業對郭子儀說:“今天如果我們不拼死力戰，全軍就會徹底潰敗。”
於是就袒露上身，手執長刀立於陣前。大聲呼喊，奮勇殺