李嗣源率军入洛阳，命诸将平定京中乱势，让百官各安其职，等待李继岌回京继位，并表示自己在安葬庄宗后，便会归藩成德。宰相豆卢革、韦说与枢密使李绍宏、张居翰率百官劝进，皆被拒绝，改请李嗣源监国。李嗣源遂入居大内兴圣宫，以监国的名义接受百官朝拜，任命石敬瑭为陕州留后，防备征蜀大军，同时命各地访寻诸王。安重诲暗中派人杀死李存确、李存纪，申王李存渥、永王李存霸则被乱军所杀，薛王李存礼、皇子李继嵩、李继潼、李继蟾、李继峣皆不知所踪。不久，魏王李继岌在渭南县自缢而死，征蜀大军则在任圜的率领下归附李嗣源，李嗣源称帝的障碍被全部扫清。

李嗣源在西宫称帝，身穿斩衰之服，即位于李存勖的灵枢之前，以表示自己是合法继承，而非篡夺。当时，李嗣源年已六十，将朝政托付给枢密使安重诲、宰相任圜。任圜还兼任三司使，主掌国家财政，他选拔贤俊，杜绝私门，忧国如家，执政一年便使得“府库充实，军民皆足，朝纲粗立”。安重诲是李嗣源的佐命功臣，虽尽忠职守，但恃功矜宠，擅作威福，他和任圜政见不合，议政之时经常意气用事，甚至互相呵骂。

任圜被罢为太子少保，并请求致仕，退居磁州，李嗣源欲巡幸汴州。当时朝野流言四起，有的称皇帝准备东征淮南，还有的称皇帝是要讨灭藩镇军阀。宣武军节度使朱守殷心不自安，趁机在汴州发动叛乱，结果被范延光率军平定。安重诲趁机诬陷任圜谋反，称其与朱守殷勾结，并矫诏赐死任圜，李嗣源明知任圜冤死，却未加追究。此后，安重诲更是权倾朝野，连皇子李从荣、李从厚都对他敬事不暇，唯独忌惮河中节度使李从珂，他矫造诏书，唆使河中牙将杨彦温寻机驱逐李从珂。

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李从珂出城检阅战马。杨彦温趁机关闭城门，不许李从珂入城，逼其返回洛阳。李嗣源将李从珂召回朝中，同时命药彦稠率军讨平杨彦温。安重诲又唆使宰相论奏，追究李从珂失守之罪，想趁机除掉李从珂，李嗣源驳回了宰相的奏议，只命李从珂赋闲在家。后来，禁军将领李行德、张俭弹劾安重诲私募士卒，整械备装，图谋不轨，李嗣源虽以诬告之罪将李行德、张俭族诛，但也对安重诲起了猜忌之心，命范延光同任枢密使，以分散安重诲的权力。

安重诲被解除枢密使职务，外放为河中节度使，随即又以太子太师之职致仕。后来，李嗣源又怀疑安重诲有异志，任命李从璋为河中节度使，让他监督安重诲，并让步军指挥使药彦稠率军前往河中，李从璋率甲士包围安重诲的府邸，用铁挝击杀安重诲夫妇，李嗣源又下诏为安重诲定罪。

李嗣源欲用“换镇”的方式兼并夏州定难军，结果遭到定难留后李彝超的抵制，他调兵攻打夏州，但却久攻不下，只得妥协，授李彝超为定难节度使。当时，朝廷久不用兵，一朝出兵却又无功而返，军中流言四起，李嗣源便下令赏赐士卒，但却没有正当的理由，士卒从此更加骄纵。

李嗣源即位时，长子李从璟已被元行钦杀害，他封次子李从荣为秦王，并任命为河南尹、判六军诸卫事。李从荣当时已是事实上的嫡长子，掌管京师政务，又握有兵权，且能与宰相分庭抗礼，种种迹象皆表明李嗣源有以其为继承人的打算。但当太仆少卿何泽上书请立李从荣为皇太子时，李嗣源却很不高兴的道：“群臣请立太子，看来我应当回河东养老了。”最终，李从荣只被拜为天下兵马大元帅，未能成为储君，他极为不安，担心自己不能继承皇位。

李嗣源病重，李从荣入宫探视，见李嗣源已不能抬头，出宫时又听到宫中哭声不绝，他误以为李嗣源已经去世，便称病不复入朝，在府中与亲信谋议夺位。李从荣率牙兵千人列阵于天津桥，准备以武力入居兴圣宫，枢密使冯赟、朱弘昭与宣徽使孟汉琼禀称李从荣谋反，关闭皇城端门，命李重吉率所部控鹤禁军把守宫门。

侍卫指挥使康义诚本是李从荣事先约定的内应，这时也被阻在宫中，难以接应李从荣。孟汉琼召来马军都指挥使朱洪实，让他率五百骑兵攻击李从荣，李从荣逃回府邸，被皇城使安从益追上斩杀。李嗣源悲骇莫名，病情加剧，追废李从荣为庶人，并从邺都召回宋王李从厚。李嗣源驾崩于大内雍和殿，终年六十七岁，李从厚赶至洛阳，为李嗣源发丧，并于柩前即位，被谥为圣德和武钦孝皇帝，庙号明宗，葬于徽陵。