香积寺之战前半年多，唐军曾实施过一项两线作战计划。根据该计划，郭子仪率领的朔方军进军关中东部，拿下叛军占领的潼关，遮断洛阳叛军支援长安的通道。同时，肃宗坐镇凤翔，等待西北的援军向凤翔集结。待凤翔的唐军主力集结完毕后，朔方军由东、凤翔的唐军由西向长安发起向心攻击，合围并歼灭长安的叛军。该项计划实施过程中遇到了很大的困难，没有达成预定目标，使得唐军不得不改变计划，将原定的分进合击的歼灭战变成了一线推进的击溃战。
一、唐军的计划
至德二载新年刚过，在彭原过完一个冬天的肃宗率领百官南下，于二月初十日抵达长安以西的凤翔。此时，河西、陇右、安西、西域的援军正夙夜兼程往凤翔方向集结。肃宗此行的目的，是等待大军集结完毕后发起收复两京的作战行动。
就在肃宗进入凤翔的几乎同时，一直在洛交郡（今陕西富县）待机的朔方军突然南下，于二月十一日收复了黄河两岸的河东道蒲州（河东郡，今山西永济）和关内道的冯翊（今陕西大荔），兵锋直指下游的潼关。
从以上布局来看，这场酝酿已久的作战行动是以郭子仪的朔方军进入长安以东蒲州到潼关地区，消灭盘踞在此的崔乾祐部，切断长安叛军与洛阳的联系。同时，西北援军往凤翔集结，与关内道原有部队组成长安以西作战集团。随后，长安以西作战集团、朔方军将分别由西、东两个方向向长安发起向心攻击，合围并歼灭盘踞长安的安守忠、李归仁叛军。尔后，再东向攻取洛阳。
关中当时的态势有利于唐军发起作战行动。
叛军自上年占领了长安以后，四处出击，取得了不少的战绩，但一直没有在关中建立有效的统治，所能控制的只有长安及周边地区，关中的很多地区依然在唐朝的统治之下，凤翔到长安之间的许多重要地点，依然被唐军所控制。其中，在凤翔东部的武功就驻有唐军的重兵集团，其主将是王思礼——陈涛斜之战时主帅房琯的副手。陈涛斜战败以后，王思礼被任命为关内节度使，率军驻守武功。杜甫有一首诗叫《悲青坂》，写的就是至德元载冬唐军与叛军在武功对峙的情形。诗中写道：
我军青坂在东门，天寒饮马太白窟。黄头奚儿日向西，数骑弯弓敢驰突。山雪河冰野萧瑟，青是烽烟白人骨。焉得附书与我军，忍待明年莫仓卒。
武功位于渭水北岸一条南北走向的川道上，这条川道叫作中亭川。中亭川东西两侧是顶部平缓的土塬，分别称作东原、西原。唐军在此由东往西纵深配置，其中，兵马使郭英乂驻东原，节度使王思礼驻武功县城，兴平军使王难得驻西原。郭英乂，瓜州常乐人，为开元名将郭知运之子。王难得是一名战斗英雄。天宝初年，唐与吐蕃交战时，吐蕃王子郎支都“恃趫敏，乘名马”，于阵前挑战，无人敢应，时为河源军使的王难得大怒，挟矛纵马直前奋击，刺郎支都于马下，斩首而还。玄宗听到王难得事迹，专门召见，让其在殿前乘马挟矛演示当时情景，并赐锦袍、金带。
二、武功兵溃
动作频频的唐军惊动了长安的叛军，叛军立即采取行动进行反制。肃宗抵达凤翔后的第九天，二月十九日丁酉，长安叛军倾巢而出，向西发起攻击，目标是肃宗行在凤翔。叛军这次出击目的很明确，就是首先击败凤翔一带的唐军，解除长安西部威胁后再移师东向，击败蒲州的朔方军。
部署在武功东原的郭英乂部首当其冲受到攻击，战斗中，郭英乂面部被箭射穿。郭军抵挡不住，大溃。西原的王难得部也随之溃败。王思礼收拢败兵，退守扶风。武功失守，叛军一路西进，游骑进到凤翔东面五十里的大和关，凤翔戒严。凤翔人心浮动，大小官员争相将家人老小送往城外避难。肃宗大怒，命令左右巡御史、左右虞候上街巡查，发现有出逃的录名上报，人心才稳定下来。
叛军进攻期间，西北的援军陆续抵达凤翔。其中，安西节度副使李嗣业带领第一批五千名援军先行抵达，更多的安西、北庭援军在增援的路上。于阗王尉迟胜带着五千兵马入援。大食、拔汗那国派出的援军也到凤翔会合。就在这些援军摩拳擦掌准备与叛军大战一场的时候，叛军突然回撤了。
原来，叛军一直占领的潼关丢了。
三、争夺潼关
二月二十二日庚子，朔方军从蒲州出击，收复了潼关。潼关是维系长安与洛阳之间联系的关键节点，潼关丢失，长安的叛军就被断了后路，成了孤军。
叛军从西线撤出后，安守忠、李归仁率军即刻东进，反抢潼关。
二月二十九日丁未，双方在永丰仓以南的原上展开大战，苦战两日，唐军大败，死者万余，朔方军将领郭旰、李韶光、王祚在战斗中阵亡。仆固怀恩率残余唐兵往北退却，退到渭水，无船可渡，怀恩抱着马头泅渡而过，败归蒲州。
潼关又回到叛军手中。叛军乘胜追击，重新攻占与蒲州一河之隔的冯翊（今陕西大荔），刺史萧贲战死，叛军屠冯翊城。三月二十三日辛未，安守忠率骑兵二万攻蒲州，被朔方军击退，叛军阵亡八千、被俘五千。这一战以后，双方各据蒲州、潼关呈对峙状态，都无力再次发起攻击将对方从这一地区驱除出去。
潼关易手给唐军造成了很大的困扰。可以预见，一旦朔方军向西发起攻击，洛阳的叛军即可经潼关进入关中，朔方军将陷入腹背受敌的险境。基于这一令人沮丧的前景，唐军原先切断长安叛军退路进而对其围歼的计划已经无法执行下去，要想打破僵局只能调整计划。
四、回师凤翔
从三月上旬开始，关中地区下起了大雨。这场雨一直下了十多天，直到肃宗下诏“疏理刑狱”才戛然而止，这个时候已经到了三月末。夏天马上就要到来，收复两京的战事不能再往后拖了，至德二载四月初，肃宗任命朔方节度使郭子仪为司空、兵马副元帅，令其率领朔方全师赴凤翔会合。在任命郭子仪为副元帅的制书中这样说：
公上略宏才，惇信明谊，受我旄钺，辑宁区夏，典器铭勋，高视前古。实邦家之杰，岂独为予？社稷之卫，可独弼予。节制咨谋，安危斯属，惧朕之不称也。往钦哉！司空子仪可兵马副元帅，主者施行。
上一任的兵马副元帅很可能就是至德元载九月二十八日在彭原被肃宗杀掉的李承光。也就是说，在郭子仪受任之前，副元帅（元帅由亲王兼任。当时的元帅为广平王李俶，后来的代宗）这个职位已经空缺了半年多时间。肃宗即位以来，朔方军这支朝廷手上实力最强的野战兵团一直被当作偏师使用，究其原因，无非是对其缺乏信任，但形势比人强，军事上多次碰壁的肃宗不得不转向全力依靠朔方军。从此以后，朔方军才正式走到了平叛舞台的中央。
郭子仪接令以后，率领朔方军走渭北，一路向西往凤翔开进。长安的叛军已经探知动向，即由李归仁率精兵五千到三原堵截。急于回师的郭子仪无心恋战，窘急之下，派出仆固怀恩、王仲升、陈回光、浑释之、李若幽五将率部迎战。仆固怀恩将战场选在了三原北，白渠在此流过，有桥贯通南北，桥名叫留运桥。怀恩预计，叛军追击，必过留运桥，于是率部急行军赶到预设战场，将兵埋伏在留运桥北，静等叛军的到来。晚到一步的叛军果然急匆匆从留运桥过白渠。叛军刚过桥，两边伏兵尽出，叛军措手不及，被杀得丢盔弃甲，伤亡殆尽。李归仁被挡在白渠北岸，无路可走，只得丢弃甲胄兵器，游过白渠逃回长安。
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