李林甫当政时，混血胡人安禄山受玄宗宠信，提拔为范阳(今北京城西南)、平卢(今辽宁省朝阳县)兼河东(今山西太原市西南)节度使。安禄山貌似忠诚，生性狡诈，是个很会拍马逢迎之徒，他身体肥胖，自称三百斤。唐玄宗曾开玩笑地问他:胡儿肚子这么，里面装的是什么他回答:只有一颗忠于陛下的赤诚之心。唐玄宗非常高兴。安禄山请求做杨贵妃的干儿子，玄宗同意了。一次唐玄宗与杨贵妃共坐，安禄山先拜贵妃，再拜唐玄宗，并说:胡人是先母后父。唐玄宗听后更为喜悦。
杨国忠和安禄山争宠，互相看不起。矛盾越演越烈。安禄山经常进出长安，见内地兵力不足，长安防务松弛，就在范阳招兵买马，赶造兵器，储积粮草，准备夺取唐朝江山。臣下奏说安禄山有反意，玄宗不信。直到安禄山撤换了范阳的32名汉将，并且开始拒绝玄宗的召见，玄宗才开始怀疑他，但又不作防备。
755年10月，安禄山以讨杨国忠为名，发动所属十五万军在范阳叛乱，引兵南下。当时天下太平日久，武备松弛，百姓不知战争，突然听到范阳起兵，远近震惊，所过州县，望风瓦解。叛军很快就攻占了洛阳，756年正月，安禄山在洛阳自称燕皇帝。准备西进夺取长安。杨国忠怕众将领立功而于已不利，怂勇玄宗瞎指挥，使唐军遭到惨败，潼关失守，叛军直逼长安。玄宗在杨国忠的劝说下，带着杨贵妃等人起程逃避四川，不料才到咸阳，县令已经逃走，没人供应饭食，玄宗命令百姓献食，百姓献上高梁等食物，玄宗勉强咽了几口，流泪不止。
第三天,唐玄宗他们到了马嵬驿(今陕西省兴平县西)，随行将士又饿又累，想到杨国忠专权误国，致使他们受苦，都怨恨异常。于是龙武将军陈玄礼带领众将士，挡住了杨国忠的马头，向他索讨军粮，并趁杨国忠惊慌之机，喊:杨国忠要谋反，将他拉下马来砍死，并将尸体砍成数段，首级悬挂在驿门上示众。然后，激愤的将士们围住了玄宗和杨贵妃休息的驿馆，喊杀声连天。
唐玄宗忙命人出去劝解。愤怒的兵士杀死了出来劝解的臣。高力士奏请唐玄宗亲自出去劝解，唐玄宗只好硬着头皮，亲自出去劝说，但是兵士仍然不肯罢休，他们声喧嚷说:不杀贵妃，誓不护驾。唐玄宗惊失色说:杨贵妃一直深居宫，不干预外面的政事，她有什么罪该杀呢?高力士对他解释说:杨贵妃是无罪，但将士们杀了杨国忠，留着杨贵妃哪能安心，愿陛下准将士所请。将士安心，陛下也就安全了。玄宗半晌不开口，这时外面喧哗声更响，高力士仓皇奏告道:兵士们要闯进来了，陛下再不决断，他们要自己来杀杨贵妃。唐玄宗这才流泪说道:赐她自尽吧。
杨贵妃接到圣旨，惊倒在地，良久，才哭着请求见唐玄宗一面。高力士引她来到玄宗面前，她哭道:愿陛下保重。唐玄宗不忍心看她的惨容，只是以袖掩面哭泣。高力士怕士兵闯入，忙将杨贵妃带到佛堂，杨贵妃朝北拜了几拜说:妾与陛下永别了!然后自缢而死。
将士们听到贵妃被处死，欢声雷动，重新保护唐玄宗李隆基西逃。太子李亨逃往灵武(在今宁夏境内)，在郭子仪、李光弼等一班西北将领的支持下，即皇帝位，是为唐肃宗。
早年，唐玄宗李隆基曾经在勤政楼东间设金鸡障，里面放置一张床榻，卷去帘子与安禄山坐在一起，观看楼下的百戏。太子李亨劝谏说:历观今古，没有听说过臣下与君主同坐一起看戏。玄宗私下说:安禄山有异相，之所以坐在一起是为了禳除凶星。又曾与安禄山夜宴，安禄山醉卧化成一条猪但是长着龙首。左右立刻告诉了玄宗，玄宗说:这是猪龙，没有什么作为。始终不杀安禄山。
等到安禄山叛乱后，人们才回想起当初术士李遐周说过的预言诗:燕市人皆去，函关马不归。若逢山下鬼，环上系罗衣。其燕市人皆去说的是安禄山与蓟门之士叛乱。函关马不归是哥舒翰失守于潼关。若逢山下鬼是一个嵬字，即马嵬驿。环上系罗衣，指的是杨玉环常以假髻为首饰，喜欢穿黄裙。天宝末年京师有童谣:义髻抛河里，黄裙逐水流。到此都应验了。
后来，安禄山派部将孙孝哲进入长安，自己仍留守洛阳。这时安禄山的将领日夜纵酒，沉溺于声色财贿之，已无再进取之意，因此唐朝的军队得到了重整军备、调集重兵的机会。长安失陷后，郭子仪、李光弼奉命率军5万自河北至灵武，壮了朝廷的声势。河西(今甘肃武威)和北庭(今新疆吉木萨尔北破城子)、安西(今新疆库车)节度使的兵也来会合。唐军廷又得到回纥、于阗及西域诸族的援助。
公元757年正月，安禄山被他儿子安庆绪所杀。李光弼坚守太原，屡败敌军;郭子仪收复河东郡(今山西永济蒲州镇)，解除了侧面敌人的威胁，为收复两京做好了战略的准备。这年九月，广平王李俶与郭子仪率军从凤翔出发，攻克长安，十月收复洛阳，安庆绪逃往邺郡(今河南安阳)。此时，留在范阳的史思明不愿受安庆绪的节制而归降了唐朝的军队。唐军封他为归义王，任范阳节度使。但唐军又策划消灭他。这件事被史思明知道后，他又开始反叛，与安庆绪遥相声援。
758年9月，郭子仪、李光弼等九节度使统兵20余万，后增至60万，讨伐安庆绪，包围了邺城。第二年三月，史思明率兵来增援安庆绪，唐军60万众溃败于城下，而这时的史思明杀死了安庆绪，回到范阳后，史思明称燕皇帝。9月，他的叛军攻占了洛阳，与唐军相持一年多之后，他被他儿子史朝义杀死了，这时叛军内部离心，屡为唐军所败。762年10月，唐军收复洛阳，史朝义走投无路，被迫自杀了，这场持续了八年的安史之乱才告结束。
正是由于唐玄宗晚年荒淫奢侈的生活，不理朝政，任用奸臣，才导致了安史之乱的发生。安史之乱使当时生产受摧残，田地荒芜，百姓流离失所。安史之乱是唐朝由盛转衰的转折点，战乱虽平，安史部将势力并未消灭，藩镇割据局面由此形成;原战乱地区经济遭到严重的破坏;吐蕃对唐的侵扰也日益频繁，唐朝国力为削弱，其全盛时代也从此结束了。
唐军收复长安和洛阳后，唐玄宗李隆基于757年12月返回长安，闲居于宫内甘露殿。他怀念往日的尊荣，目睹眼前的凄凉，伤感叹息，愁苦郁闷，渐渐成病。762年4月病危，他还念念不忘杨贵妃。传说他还请方士作法，想招来杨贵妃的亡灵相会。死前的一天，他吹了几声紫玉笛，声调极其悲凉，然后命令名叫宫爱的宫女为他沐浴更衣，卧于床上。当晚，他在室内还传出笑声。第二天黎明，宫女进入卧房，唐玄宗李隆基已经双目紧闭，四肢僵硬而死。死后的庙号为玄宗，谥号为明皇。