在军事上可谓有勇有谋，敢作敢为，一往无前。嗣位不久，便在三垂冈战役中一展雄图。他主动向后梁发起攻击，对此他解释说：“后梁听说我丧父，必定以为我不能出兵；同时以为我少年嗣位，不谙军事，必有骄怠之心。如果我们挑选精干士兵，日夜兼程，出其不意，以我愤激之众，击彼骄惰之师，拉朽摧枯，那么，定霸便在此一役。”他带领大军从太原出发，至潞州北黄碾下营。在一个大雾天凌晨，亲自率军埋伏在三垂冈下。平明，天复昏雾，部队三道齐进，梁军大恐，向南溃退。这一役，李存勖的军队大获全胜，斩首万余级，俘获梁军将校三百余人！梁太祖朱温闻讯，惊惧而叹曰：“生子当如李亚子，克用为不亡矣！至如吾儿，豚犬耳！”
后来清人严遂成以《三垂冈》为题，作诗歌颂李克用、李存勖父子：“英雄立马起沙陀，奈此朱梁跋扈何。只手难扶唐社稷，连城犹拥晋山河。风云帐下奇儿在，鼓角灯前老泪多。萧瑟三垂冈下路，至今人唱百年歌。”毛-泽-东年轻时读过这首诗，几十年后，尽管对作者严遂成的名字不复记忆，但诗的内容却几乎能一字不拉地背出来。
李存勖经历的战争，值得在中国古代军事史上书上一笔的，还有胡柳坡战役。后梁贞明四年（918年），李存勖的军队驻扎在濮州胡柳坡。与梁军相遇，在李存勖运筹帷幄的指挥下，最后以梁军的失败而告终。据中-共-中-央文献研究室编《毛-泽-东读文史古籍批语集》，毛-泽-东读了《旧王代史·唐书·庄宗纪》，作了三条批语，其中有一条是评胡柳坡这役的：“胡柳坡正面突破不成，乃从东向南打大迂回，乘虚而入，卒以成功。”李存勖在胡柳坡战役中的指挥是
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