。臣下奏說安祿山有反意，玄宗不信。直到安祿山撤換了范陽的32名漢將，並且開始拒絕玄宗的召見，玄宗才開始懷疑他，但又不作防備。
755年10月，安祿山以討楊國忠為名，發動所屬十五萬大軍在范陽叛亂，引兵南下。當時天下太平日久，武備松馳，百姓不知戰爭，突然聽到范陽起兵，遠近震驚，所過州縣，望風瓦解。叛軍很快就攻佔了洛陽，756年正月，安祿山在洛陽自稱大燕皇帝。準備西進奪取長安。楊國忠怕眾將領立功而於已不利，慫勇玄宗瞎指揮，使唐軍遭到慘敗，潼關失守，叛軍直逼長安。玄宗在楊國忠的勸說下，帶著楊貴妃等人起程逃避四川，不料才到咸陽，縣令已經逃走，沒人供應飯食，玄宗命令百姓獻食，百姓獻上高梁等食物，玄宗勉強嚥了幾口，流淚不止。
第三天唐玄宗他們到了馬嵬驛（今陝西省興平縣西），隨行將士又餓又累，想到楊國忠專權誤國，致使他們受苦，都怨恨異常。於是龍武大將軍陳玄禮帶領眾將士，擋住了楊國忠的馬頭，向他索討軍糧，並趁楊國忠驚慌之機，大喊：“楊國忠要謀反”，將他拉下馬來砍死，並將屍體砍成數段，首級懸掛在驛門上示眾。然後，激憤的將士們圍住了玄宗和楊貴妃休息的驛館，喊殺聲連天。
玄宗忙命人出去勸解。憤怒的兵士殺死了出來勸解的大臣。高力士奏請玄宗親自出去勸解，玄宗只好硬著頭皮，親自出去勸說，但是兵士仍然不肯罷休，他們大聲喧嚷說：“不殺貴妃，誓不護駕”。玄宗大驚失色說：“貴妃一直深居宮，不干預外面的政事，她有什麼罪該殺呢？”高力士對他解釋說：“貴妃是無罪，但將士們殺了楊國忠，留著貴妃哪能安心，願陛下准將士所請。將士安心，陛下也就安全了。”玄宗半晌不開口，這時外面喧譁聲更響，高力士倉皇奏告道：“兵士們要闖進來了，陛下再不決斷，他們要自己來殺貴妃。”玄宗這才流淚說道：“賜她自盡吧。”
楊貴妃接到聖旨，驚倒在地，良久，才哭著請求見玄宗一面。高力士引她來到玄宗面前，她哭道：“願陛下保重。”玄宗不忍心看她的慘容，只是以袖掩面哭泣。高力士怕士兵闖入，忙將楊貴妃帶到佛堂，貴妃朝北拜了幾拜說：“妾與陛下永別了！”然後自縊而死。
將士們聽到貴妃被處死，歡聲雷動，重新保護玄宗西逃。太子李亨逃往靈武（在今寧夏境內），在郭子儀、李光弼等一班西北將領的支援下，即皇帝位，是為唐肅宗。
早年，玄宗曾經在勤政樓東間設大金雞障，裡面放置一張大床榻，捲去簾子與安祿山坐在一起，觀看樓下的百戲。太子李亨勸諫說：“歷觀今古，沒有聽說過臣下與君主同坐一起看戲。”玄宗私下說：“安祿山有異相，之所以坐在一起是為了禳除兇星。”又曾與安祿山夜宴，安祿山醉臥化成一條豬但是長著龍首。左右立刻告訴了玄宗，玄宗說：“這是豬龍，沒有什麼作為。”始終不殺安祿山。
等到安祿山叛亂後，人們才回想起當初術士李遐周說過的預言詩：“燕市人皆去，函關馬不歸。若逢山下鬼，環上系羅衣。”其中“燕市人皆去”說的是安祿山與薊門之士叛亂。“函關馬不歸”是哥舒翰失守於潼關。“若逢山下鬼”是一個嵬字，即馬嵬驛。“環上系羅衣”，指的是楊玉環常以假髻為首飾，喜歡穿黃裙。天寶末年京師有童謠：“義髻拋河裡，黃裙逐水流。”到此都應驗了。
後來，安祿山派部將孫孝哲進入長安，自己仍留守洛陽。這時安祿山的將領日夜縱酒，沉溺於聲色財賄之中，已無再進取之意，因此唐朝的軍隊得到了重整軍備、調集重兵的機會。長安失陷後，郭子儀、李光弼奉命率軍5萬自河北至靈武
，壯大了朝廷的聲勢。河西（今甘肅武威）和北庭（今新疆吉木薩爾北破城子）、安西（今新疆庫車）節度使的兵也來會合。唐軍廷又得到回紇、于闐及西域諸族的援助。757年正月，安祿山被他兒子安慶緒所殺。李光弼堅守太原，屢敗敵軍；郭子儀收復河東郡（今山西永濟蒲州鎮），解除了側面敵人的威脅，為收復兩京做好了戰略的準備。這年九月，廣平王李俶與郭子儀率軍從鳳翔出發，攻克長安，十月收復洛陽，安慶緒逃往鄴郡（今河南安陽）。此時，留在范陽的史思明不願受安慶緒的節制而歸降了唐朝的軍隊。唐軍封他為歸義王，任范陽節度使。但唐軍又策劃消滅他。這件事被史思明知道後，他又開始反叛，與安慶緒遙相聲援。
758年9月，郭子儀、李光弼等九節度使統兵20餘萬，後增至60萬，討伐安慶緒，包圍了鄴城。第二年三月，史思明率兵來增援安慶緒，唐軍