朱温同意了马景的计划，命令他的军队做好了战斗准备。马景第二天与众骑一起出营，突然纵马西奔，逃到凤翔城中。马景见到李茂贞就对他说：“朱温营中由于大雨，军士多病，已经退兵撤走。现在只有万名伤病者守营，今晚也要撤走，请立刻起兵打击他们，可获大胜。”
李茂贞原先也听到朱温要撤军的消息，因此就听信了马景的话，带领凤翔城内军队出城来攻打朱温的大营。这时朱温已命令汴军饱餐战饭，埋伏起来静等李茂贞上钩。李茂贞带队冲进汴军营中，只见营中空无一人，大呼上当，急令全军撤退。朱温这时亲自敲起战鼓，汴军百营尽出，刀枪并举，杀声震天，直杀得凤翔军亡魂丧胆。汴军还有几百名士兵在凤翔城门口拦截退兵，几乎把出城的凤翔军砍杀殆尽。李茂贞好不容易逃进城，自知不是朱温对手，开始与部下议论与汴军讲和，送出昭宗，奉车驾还京。献计大败李茂贞的高季昌是安徽硖石人，原为朱温干儿子朱友恭家童，由于他聪明伶俐，工于计谋被朱温要到身边充当偏将。后来他改名高季兴，后唐灭梁后投靠了后唐庄宗李存勖，被封为南平王。
仗打了几个月，凤翔城内粮草用尽，李茂贞只好派兵除外向周边地区筹粮。朱温命人在城外挖掘曲折蜿蜒的壕沟，设置狗窝，架设铃铛架以隔绝城内城外的联系。
十月，由于凤翔城长期被围，城中人心惶惶，不少士兵逃出城外投降了汴军。连李茂贞的干儿子李彦询都带领三团士兵投降了朱温。不久他的另一个干儿子李彦韬也投降了汴军。朱温命这些人穿上紫衣到城下喊话，招呼更多的兵士投降，又有不少凤翔兵夜里槌城而下投降了汴军。
十月初八，朱温派幕僚司马邺进城向昭宗皇帝上表，十二日又派使者给皇帝进献熊脂等食物及锦缎衣物。昭宗李晔都先把这些东西交给李茂贞验看，原来飞扬跋扈的李茂贞这时也不敢再开启验看这些东西了。十四日，朱温又派出使者与李茂贞商议讲和的事，汴军对出城打柴草的百姓也开始放行了。十五日朱温上表昭宗说明他要修理宫阙和迎接昭宗回京。十七日，昭宗派国子监司业韩昌祚，内使王延缋出城赐诏书给朱温对他的行动表示嘉许。
本来这场战争应该结束了，可是李茂贞却仍然不甘心失败，十月二十一日他又出兵袭击城外的朱温西寨，被汴军打败。李茂贞一面派人去向李茂勋求救，一面加强了对昭宗所住的御院加强了警卫，他怀疑昭宗与朱温暗中订立密约。
十一月初，李茂勋果然又带领一万军马来救援凤翔，他们在城北山坡上扎营，点燃烽火企图与城中相呼应。这次朱温决定端掉李茂勋的老巢，他派大将孔勍和李晖带兵去袭取鄜州（陕西富县）、坊州（今陕西省黄陵县、宜君县）。十月初十，孔勍攻下坊州。十二日天降大雪，汴军乘夜冒雪急进，攻进鄜州。鄜州兵马根本没有准备，汴军进城时城中尚有八千兵马，激战到第二天午时，才打败了鄜州守城军，生擒了守城将领李继璙。孔勍命令士兵不得惊扰李茂勋等敌将家属，并留李晖暂时处理军府事务。李茂勋听说鄜、坊二州丢失马上带领军队由凤翔撤兵逃走。
由于李茂贞再次攻击城外的汴军，朱温命令重新围困凤翔，两军又开始了攻城与守城的战斗。汴军没日没夜的击鼓鸣号，搅得城上守军不得休息。攻城的兵士向城上骂“劫天子贼”，城上向城下反骂“夺天子贼”。这时正是隆冬季节，天降大雪，城内粮尽，冻饿而死的人不可计数。有那些倒在地下将死之人，也被割去皮肉烹食。市上人肉值百钱，狗肉值五百钱。李茂贞也只好用狗肉来供应皇帝的御膳，昭宗也只好卖掉自己和皇子的衣物以供日用。
李茂勋带兵逃回鄜州，一看州城之上早已飘扬着汴军的旗帜，他是有家不能回了。十二月李茂勋决定投降朱温，为了和李茂贞划清界限，他连名字都改成了李周彝。这下李茂贞失去了最后一支盟军。
李茂贞坐守孤城，不向朱温服软看来是不行了，他开始密谋诛杀宦官以开脱自己。李茂贞给朱温写信说：“祸乱的发生都是因为韩全诲引起，我之所以迎驾到凤翔，是为了防备别的盗贼。公既有志匡扶社稷，请公便迎驾还宫，我愿带领残兵败将为您效力。”朱温回信：“我带兵到这里就是因为皇上圣驾迁徙蒙难，公能助我一臂之力，我非常愿意。”
十二月二十五日，昭宗召集李茂贞、苏检、李继诲、李彦弼、李继岌、李继远、李继忠吃饭，讨论与朱温和解。昭宗说：“十六宅诸王以下，每天都有几人冻饿而死，在内宫王子及嫔妃也只能一日吃粥，一日吃湯饼，现在也吃完了。卿等还有什么主意？”大家都不说话，昭宗说：“赶快和解吧！”
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