黄巢退回长安城后，心生退意，觉得自己打不过李克用，不是他的对手，长安也快守不住了，决定要逃回自己还占领的河南。他派朱温率2万人从潼关向东去河南，在河南接应自己，派自己的弟弟黄邺和黄揆率兵镇守连接长安和河南的商於古道。
朱温领军走在半路，朱温心想，黄巢被李克用大败，大势已去，长安很难守住，自己何不投降了朝廷，既能保全性命，又能换取个官职。他就和自己的心腹商量投降的事，心腹都十分赞同，说道：“我们也觉得黄巢的皇帝当不了多久了，应该投降朝廷。我们愿意跟着大人您。”他就写信向河中节度使王重荣投降，王重荣把消息送到了成都的皇上李儇。李儇很高兴，为了使黄巢之乱快速平定，封朱温为左金吾卫大将军、同华节度使（今陕西省渭南市大荔县，华州区），并赐名全忠。历史仿佛都在取笑皇帝李譞的赐名，朱全忠而全不忠，他可以反叛黄巢，投降唐廷，自然也可以灭亡唐朝，登基为帝，当然这是后话，暂不细讲。朱温接到了朝廷允许投降还给他封官的诏书后，在夜里设宴，请黄巢的监军严实喝酒，等严实喝的酩酊大醉，就一刀结果了他的小命。朱温领军加入了王重荣的军队之中，屯兵在长安以东的华州，他还称呼王重荣为舅舅，日日前去王重荣的营帐中问安。
此时，李克用进军到长安附近的渭桥，义子李存孝向李克用进言“父亲，此时我们应该乘着刚刚的大胜，和其他节度使一起攻下长安城。请让我来当先锋，我一定第一个登上长安城，取下贼寇黄巢的头颅献给父亲您。”李克用说：“我儿英勇过人，无人能敌，但黄巢在长安城内仍有18万大军，我们沙陀骑兵虽然善于游击作战和冲锋陷阵，但不善于攻城，贸然强攻，会损失很多将士，只能把敌人逼出城来决战，才可以用最小的伤亡获胜。”李克用派士兵挖了一条地道通向长安城内，每日派部将薛志勤和康君立率百余人，乘着夜色掩护，在长安城内杀掉落单的士兵，烧掉黄巢的粮草，奇袭黄巢的军械库。
长安城内，黄巢被李克用的每夜偷袭，弄得心神不宁。和心腹爱将孟楷抱怨道：“这李克用每日派人来长安城内偷袭，我是生怕那天他就出现在我的寝宫里，他太可怕了，就像我的梦魇。我现在饭也吃不下，睡也睡不好。”孟楷说：“长安虽然已是孤城一座，但也不能便宜了李克用，我们还是要出城与他再战，倘若取胜，则仍然可以守住长安。”
黄巢派出将军徐建、米实率三万人出城迎战。徐建在战前向米实说道：“李克用勇猛无敌，只可智取，我有一计，须你听令”。大战当天，徐建在阵前喊话：“独眼龙，世人皆畏惧你，但是我不怕你，咱们单挑一决生死，如何？”李克用说：“正合我意。”说罢，便策马而出，双方便在阵前缠斗，李克用的擎天破地槊光槊刃就有半米，槊杆有惊人的五米五长，一槊朝徐建身体中央狠狠捅去，破空的声音从李克用马后传来“速，速”，徐建赶忙挥动长枪抵挡，李克用双手紧握槊左右挥扫，徐建用长枪拨挡，一回合结束，等李克用的马转过身，再次向徐建发起冲锋时，徐建不讲武德，向副将米实挥手，米实按照之前的计策，快速张弓搭箭朝李克用射去。李克用看见徐建挥手就觉察不对，急忙转身向后看去，发现米实向自己射箭，就迅速将左腿也蹬在了右马镫上，蹲下身子，用马当掩体，躲避了飞向自己的弓箭，只见他右手握槊，左手紧抓马鞍和缰绳，口中大骂道：“徐建，你不讲武德，说是单挑，竟然来骗、来偷袭我。”徐建提枪便刺向李克用，口中说道：“李克用，别说废话，受死吧。”正直危难之际，李克用的义子李嗣源和李存孝拍马赶到，李嗣源将刺向李克用的枪用力向右拨开，而李存孝握抢向徐建刺去，一枪从徐建的背后贯穿到胸前。米实见主将徐建已死，便策马转身准备逃跑，此刻的李克用已重新坐到马鞍上，他见米实逃跑，情急之下，将擎天破地槊举至头顶，身体和右手后仰，将槊朝米实投掷出去，米实躲闪不急，势大力沉地槊穿过他的后背和肚子，又扎到了马脖子上，连马也一命呜呼了。黄巢的士兵见到世间竟有如此骁勇的战神，再加上自己军队将领也被杀，便向后撤退逃命，而李克用的一万骑兵再后面追杀，黄巢士兵死伤无数。此一战，黄巢士兵投降两万，战死一万，步兵没一个人能逃回长安城内。李克用命全军乘胜追击，攻克长安。
义武军节度使王处存，河中节度使王重荣，同华节度使朱温，邠宁节度使朱玫等将领见李克用这边获胜，马上就下令自己的军队攻城，长安城内的黄巢守军面对如此多的人马从四面八方攻城，一时难以招架，很快长安城就失陷了。
黄巢率军队从商於古道逃亡河南，准备东山再起。一路上，黄巢将从长安抢来的金银财宝丢在路上，前来追击的官军只顾着捡地上的财宝，而不去追击黄巢军队，于是，黄巢顺利逃回了河南。
收复长安，李克用军功最大，被皇帝李儇授予检校司空、同中书门下平章事、河东节度使，他的父亲李国昌被封为雁门节度使。李克用当时才28岁，前来平叛的节度使见到李克用又年轻又很能打仗，都心里害怕将来与他作战，同时，他的英勇杀敌，收复长安故事被很多百姓口口相传，世人都知道李克用的勇猛。王重荣因功被封为检校太尉，累加检校太傅，同中书门下平章事，琅琊郡王；王处存因功被封为检校司空；朱温因功被封为宣武节度使（今河南省东部，治所在开封）。