取得华州后，朱全忠继续向长安进军。由于昭宗西幸凤翔时，百官大多不愿前往，留在长安。此时崔胤赶紧派人与朱全忠联络，希望他尽快派军队往凤翔迎回皇帝。朱全忠至长安，宰相率百官迎于长乐坡。朱全忠赏李继昭之功，先是令李继昭权知匡国留后，后来又留为两街制置使，赐与甚厚。李继昭尽献其兵八千人。朱全忠入长安的次日，便与崔胤商议决定立即向凤翔进军。
　　李茂贞派遣大将符道昭屯驻武功，抵御朱全忠，被朱全忠的大将康怀贞击破。朱全忠大军于十月二十日到达凤翔，扎营于凤翔城东。李茂贞自知不是朱全忠的对手，登城辩解说：“天子避灾，非臣下无礼；谗人误公至此！”朱全忠说到：“韩全诲劫迁天子，今来问罪，迎扈还宫。岐王（李茂贞封岐王）苟不预谋，何烦陈谕！”劝他早日送出昭宗，免受宦官牵连。
　　在陈兵凤翔城下的同时，朱全忠派兵攻打邠州。邠州和凤翔，乃是辅车之援，唇齿相依，邠州的静难节度使李继徽请降，复其本名杨崇本。朱全忠又以杨崇本之妻为人质（实际上是杨崇本之妻貌美，朱全忠好色），令杨崇本仍镇邠州。
　　朱全忠向西进军时，已经攻取了李茂贞在关中的大部分州县。西川王建又趁李茂贞势穷之机，派军队攻其山南西道，据为己有。李茂贞虽然是强镇，但却不是最强大的藩镇。此次劫持皇帝，真是偷鸡不成蚀把米，赔了夫人又折兵。
　　李茂贞为了解围，曾亲自率军与朱全忠的汴军在凤翔城南决战，结果大败，损失一万多人。李茂贞的弟弟保大节度使李茂勋来救，也被打得大败而逃。天复二年（902）八月二十日，凤翔兵倾巢出动，欲与汴军决一死战，再次大败，凤翔西门险被攻陷，从此李茂贞再也不敢轻易出战。

　　时至九月，大雨连绵，士卒多病，朱全忠召集诸将商议退兵。亲从指挥使高季昌和左开道指挥使刘知俊进言道：“天下英雄，窥此举一岁矣；今茂贞已困，奈何舍之去？”朱全忠担心李茂贞坚壁不出，高季昌请求以计诱之。于是在军中招募能入城为间谍者，骑兵马景慨然应募，并说道：“此行必死，愿大王抚恤妻子。”朱全忠闻之恻然止之，劝马景不必如此，但马景志向已定。
　　当时刚好朱友伦奉朱全忠之命从开封调兵前来，明日将至，当出兵迎之。于是朱全忠命诸军厉兵秣马，将士饱餐，放下旗帜潜伏起来，营中寂如无人。马景与其他一些骑兵出营，忽然马景跃马西去，诈为逃亡，一路奔驰进入凤翔城，向李茂贞报告说：“全忠举军遁矣，独留伤病者近万人守营，今夕亦去矣，请速击之。”李茂贞信以为真，大开城门，倾巢而出攻打朱全忠营寨。朱全忠见李茂贞中计，鼓于中军，百营俱出，纵兵击之，又遣数百骑据其城门，断其归路。凤翔军进退失据，自相践踏，伤亡殆尽。李茂贞从此只能闭城死守不战，汴军在城外挖掘长壕，彻底隔绝了凤翔城与外界的联系。此战高季昌立首功，朱全忠表高季昌为宋州团练使。高季昌，硖石人，本来是开封富人李让的家奴，朱全忠见他机灵，收为养子，更姓名曰朱友恭。

　　朱全忠穿蚰蜒壕围凤翔，又设犬铺、铃架隔绝内外。蚰蜒俗称“钱串子”、“千足虫”，天阴雨则出行，地上留下痕迹。蚰蜒壕如同蚰蜒行地之状，故此得名。所谓犬铺，就是行军下寨四面设犬铺，以犬守之，敌来则群吠，为军中警备。所谓铃架，就是绕营设架，挂铃其上，敌来触之则鸣。
　　到了如此地步，不断有士兵出城投降，甚至李茂贞的养子也陆续率部出城投降。朱全忠先是遣使向皇帝进献熊白（熊肉当心有白脂如玉，味甚美），之后进献食物和衣物不断。朱全忠又再次遣使与李茂贞议和，民出城樵采者皆不抄掠，然后又奉表请修宫阙并迎车驾。
　　李茂贞还在负隅顽抗，做最后的挣扎。他出兵攻击朱全忠驻扎在城西的营寨，却大败而还。朱全忠让降兵穿上绛红色的袍子，命他们招降城中人，凤翔军夜间缒城而出及樵采不返者甚众。

　　不久，保大节度使李茂勋率万余人来救凤翔，屯于城北，与城中遥相呼应。朱全忠将计就计，派遣孔勍（读情）、李晖率兵乘虚偷袭李茂勋的大本营鄜州、坊州。先拔坊州，是日大雪，汴军冒雪乘夜色急进，五鼓时分抵达鄜州城下。鄜州守军毫无防备，汴军入城之时，城中兵尚有八千人。双方展开激烈巷战，一直到中午，鄜州兵战败，擒守将李继璙。孔勍入城后，安抚李茂勋及将士之家，并无侵扰，命李晖权知军府事。李茂勋得到战败的消息后，引兵遁去，后来投降了朱全忠。胡三省评论道：重战轻防，此李茂勋之所以败也；厚抚其家以携之，茂勋所以归心于朱全忠也。

　　至此，李茂勋坚守的鄜州也被朱全忠攻破，李茂勋本人投降。李茂贞在关中的地盘除了凤翔孤城外，已经全部被朱全忠占据。汴军每夜鸣鼓角，城中地动。攻城的人诟骂城上的人是“劫天子贼”，守城的人诟骂城下的人是“夺天子贼”。
　　凤翔成为孤城后，最苦的还是百姓。这年冬天大雪纷飞，城中食尽，居民冻死饿死者不计其数。人们甚至以人肉为食，市场上人肉卖每斤一百文，狗肉每斤五百文。有的人奄奄一息尚未断气，就被人割肉吃掉，甚至出现了父子相食的惨状。读史至此，不禁掩卷叹息，文字尚不忍足视，当时悲惨的画面更不忍在心中勾勒。宁做太平犬，不做乱世人，信夫！
　　昭宗贵为皇帝，生活也极其艰难。李茂贞只能供应一点猪肉和狗肉，皇子、公主、嫔妃只能喝粥喝汤，后来竟然连汤也供应不上，昭宗只能拿出自己的御衣和小皇子的衣物到市场上卖掉，换回一点粮食，命宫人用小磨磨面，做粥给皇子、公主食用。
　　凤翔当真是守不下去了，
　　在这种情况下，李茂贞为了自保，不得不向朱全忠求和。十二月，李茂贞遣使请降于朱全忠。此时李茂贞在山南的地盘皆入王建之手，关中的州镇皆入朱全忠之手，李茂贞只有凤翔一座孤城。李茂贞于是密谋诛宦官以自赎，在给朱全忠的信中说：“此番祸乱，都是因为韩全诲这些宦官。我迎驾至此，以备他盗。公既志在匡扶社稷，就请公迎驾还宫，我以弊甲凋兵，跟随您出力效劳。”朱全忠回信说：“我举兵至此，正是因为乘舆播迁。公能协力，固所愿也。”凤翔城的士兵和百姓每次看见宦官必大骂，把全城生灵涂炭的罪过归于宦官。

　　天复三年（903）正月二日，昭宗派朝臣与李茂贞的使者一同出城议和。六日，李茂贞瞒着宦官偷偷面见昭宗，表示愿意诛杀宦官，奉车驾返京。昭宗大喜，当时授命收捕宦官韩全诲、禁军将领李继筠、李继诲、李彦弼等人，全部处死。然后命人将这些首级拿出城去给朱全忠验视。
　　经过谈判，正月二十二日，李茂贞打开城门，送出昭宗一行来到汴军营寨。朱全忠素服待罪，跪伏于地，泪流满面。昭宗令人将其扶起，好言相慰，亲解玉带以赐之。接着，昭宗在汴军的护送下，终于又一次回到了长安。