得知朝廷要來討伐的消息，李國昌是又怒又怕。怒的是朝無忠臣，怕的是日後事業愈加難建。心想事到如此只有先下手爲強，勝了唐軍，保住地盤，再做下一步打算。
於是李國昌帶軍前往與李克用合兵一處，先攻陷遮虜軍、岢嵐軍，之後進入忻州境內。
曹翔到達晉陽後，又發義成、忠武、河陽三鎮兵會合於晉陽，與康傳圭、李鈞等一同前往忻州營救。在唐軍將要進至洪谷時，曹翔的探卒來彙報地形“此處谷口，形如一漏斗，入口甚寬，出口甚窄。”曹翔問道“兩側山峰適合埋伏嗎？”探卒回道“兩側山峰均是壁立萬仞，高深陡峭，連猴都爬不上去，不可能有埋伏。”“好，全軍前進！”於是唐軍進入谷口，慢慢地佈滿了整個山谷口。在進入之前，康傳圭進言道“出口很窄，萬一有沙陀阻擋，將對我們不利。”曹翔白了他一眼，”你沒打過仗嗎?就算有敵軍擋也只能擋住一時，在我們數萬大軍猛烈進攻下，再多敵軍也會被我們消滅的。退一萬步來講，即便衝不出，我們也還是可以從入口退出得嘛，也不會損失太多兵力。”康傳圭聽完這話便不再說什麼了。
在唐軍有數千人出來山谷時，果真遭到了一隊沙陀騎兵的攻擊，爲首的正是李克用。他們將出來的唐軍迅即衝散，之後分成兩隊。李克用令康君立外向衝殺唐兵，李克用則轉騎，內向唐兵的出口前進。康君立將出來的唐兵大部分殺掉，李克用則將剩餘部分逼到了谷口旁邊，他們開始擠作一團。李克用抽出弓箭來，對着唐兵一通連射，箭箭不虛發，連斃數十唐兵。之後令沙陀騎兵將出口死死堵住，裡面的唐兵不敢也出不來。
這時唐軍已全進入了山谷地區，曹翔正處於後方，聽說了出口發生的情況後，令處於前方的昭義節度使李鈞派勇士衝突，拼死也得奪得出口。李鈞於是選出騎射俱佳者數十人，前往突擊。可惜沒多大會就全陣亡了。盛怒之下，李鈞親自彎弓騎馬帶上隨從數十人前往衝殺。李鈞果然驍勇，連殺數名沙陀騎兵，部下人也都個個爭奮，竟衝出了谷口近百米。後面的官軍開始蜂擁而出。李克用見形勢危急，若唐軍得出谷口，原計劃將落空。心想敗軍先滅將，先除了主將再說。他騎馬火速趕來，望見李鈞正殺掉一名沙陀騎兵，此時與李克用之間毫無任何阻礙。李克用瞅準時機，張弓搭箭，脫了弦的箭如流星一般朝李鈞飛去。箭勢又疾又猛，李鈞望見時已到了他面門，反應過來時哪裡還躲得開，穿腦而過，登時斃命。
李克用又射殺了十餘名唐兵，之後收起弓箭。拿出丈八鐵槍，縱橫衝蕩，其部下也個個鼓勇搏擊，再次將唐軍殺個七零八落，逼他們退入谷中。經這麼一番折騰，唐兵又損失近千人。這回再沒唐兵敢出來了。
曹翔決定帶大軍從山谷的進口處退出。這正是一個下坡路，他們看不到前方太遠。在他們出來數千人後，忽然發現了遍地旗幟、刀槍林立。這是李國昌與李盡忠帶領的大隊沙陀兵。由於靠近山谷口的那段路崎嶇不平，不利於騎兵，因此李國昌選擇在稍遠的地方列陣等待。這回曹翔可有的怕了，但事已至此，只得一戰了。況且自己處於居高臨下之勢，數量也佔據優勢，於是兩軍便展開了戰鬥。唐軍戰鬥力遠遜於沙陀，但靠着優勢兵力，一時還打的難分難解。
正在難分伯仲之際，忽然又有一隊兵力殺入唐軍。原來是獨眼龍帶領他那隊沙陀軍從後側方繞遠路迂迴了過來，橫貫唐軍之陣。唐軍人人膽戰、個個心驚，直被殺得嗚呼哀嚎、丟盔棄甲、四處奔逃。其實，李克用只是帶了五百精騎火速趕來已備不虞，當曹翔看清實情時，已經晚了，唐軍開始了全面潰敗，不可能重新集結兵力再戰了。火將軍李國昌與李盡忠又都是“萬人敵”之將，令唐軍望之生畏。沙陀軍開始如老鷹撲兔般到處追殺唐軍，這時候曹翔又羞又怒，忽然心悸喘不過氣來，頭一陣陣眩暈，從馬上倒下來而死。
沙陀軍才追了一里多路，李國昌就命令停止了。他說道“我們此戰只是要挫敗他們，讓他們知難而退，不可將唐軍視爲仇敵，滅之而後快。”
此戰雖勝，朝廷仍在集結大軍。爲保證後方安全，李國昌與李克用商量，李國昌帶領少數兵士回到蔚州，李克用則帶領大軍去攻晉陽。晉陽之地,東連燕、豫,西界大河,北有寧武、偏頭、雁門諸關,控帶山河，踞天下之肩背，爲河東之根本，儼然一重鎮，自古以來爲兵家必爭之地，北齊神武帝高歡、大唐李淵、李世民父子就是以晉陽爲資，攻取天下。
若能拿下晉陽，李國昌父子倆就可以雄踞代北，與唐朝分庭抗禮。之後再去討伐黃巢，將功贖罪，朝廷到時定能重新接受沙陀。這正是李國昌的“精”忠報國之想法。洪谷之戰前，蓋寓將謀略告訴李國昌，李國昌召他私下商談許久，相得甚歡。認爲得此良輔，李克用定能成就一番偉業。走前他囑咐蓋寓“吾子英略不凡，只是侍武自負，年輕人難免驕傲，希望你能多加引導。”
880年二月，李克用領沙陀軍與投附自己的漢族兵二萬餘人進逼晉陽。正在晉陽形勢危急時，唐軍陣營又發生了變故。
在曹翔死後，皇帝使康傳圭代其做了河東節度使。這康傳圭愛用酷刑以示自己威嚴，又強取富人財物佔爲己有。終於，晉陽的士兵怒不可遏發動兵變，將其亂刀殺死。爲了平息晉陽驕兵之怒氣，唐僖宗使宰相鄭從讜做河東節度使來安慰兵士。鄭從讜貌溫而氣勁，多謀而善斷，來到後只將發動兵變的爲首者幾人，當衆數其罪而殺之，然後安慰衆軍士，軍中這才安定下來。