开成五年（公元840年）初，唐武宗即位。九月，淮南节度使李德裕入为门下侍郎、同平章事。文宗去世时，宰相杨嗣复、李珏根据文宗的旨意，要立敬宗子陈王为太子，但宦官仇士良矫诏拥立了武宗，又在武宗面前说了前宰相的坏话，于是武宗将杨嗣复、李珏贬出朝外。会昌元年（公元841年）三月，又遣使者要将二人处死。李德裕认为武宗刚即位，诛杀大臣会导致人情不安，尽管杨、李二人一向是牛党骨干，他仍以大局为重，不计较个人恩怨，连上三状，极力论救。他在状中申明，杨、李二人和自己并无私人情谊，所考虑的是社稷安宁，并说：“臣若苟务于偷安，不敢冒死陈奏。”并一再请求武宗开延英，“当面论奏”。当武宗开延英时，德裕又“泣涕极言”，说明利害关系。武宗曾三次命李德裕就坐，他却固执地说：“臣等愿陛下免二人于死，勿使既死而众以为冤。今未奉圣旨，臣等不敢坐。”在李德裕等人的苦苦相劝下，武宗终于同意赦免杨嗣复、李珏二人之死，并下令追还使者。
武宗即位之初，屡次出猎游幸，至深夜方还宫，不理朝政。李德裕为此极力上疏规谏。不久，武宗册拜李德裕为司空。
同年四月，李德裕奏请改撰《宪宗实录》。在修改过程中，史官郑亚根据李德裕的意思，削除了李吉甫在元和年间不善的事迹，招致了人们的非议。
早在开成年间，回鹘曾被黠戛斯打败，此后，他们分散在各地。八月，回鹘中的一支嗢没斯部脱离了乌介可汗，前来天德军塞下请求内附。天德军使田牟贪求边功，想乘势出击，朝臣也多赞成，李德裕则竭力反对。他认为回鹘在平定安史之乱中有功，这次嗢没斯率部下来降，秋毫无犯，应予以安抚。即使需要出击的话，天德军兵力不足，一旦交战失利，城池必然陷落。如果他们骚扰边境，即可调动各道兵马讨伐。朝廷最终采纳了李德裕的建议赐给嗢没斯部粮食二万斛。
会昌二年（公元842年）五月，回鹘乌介可汗公然向唐王朝提出了索取粮食、牛羊，并要执送嗢没斯等无理要求，遭到拒绝。此后，又不听唐朝的警告，一再到边境剽掠。八月，又越过杷头峰（今内蒙古包头附近），进犯大同、云州等地。牛僧孺等主张“固守关防，伺其可击则用兵”。李德裕详细地分析了回鹘的情况，说：“以回鹘所恃者嗢没、赤心耳，今已离散，其强弱之势可见。戎人犷悍，不顾成败，以失二将，乘忿入侵，出师急击，破之必矣。守险示弱，虏无由退。击之为便。”武宗赞同李德裕的主张。于是分别调集许蔡、汴、滑等六镇兵马增援；以刘沔为回鹘南面招讨使，张仲武为东面招讨使，李思忠为西面招讨使，诸路军马在太原会师。
会昌三年（公元843年）正月，乌介可汗率兵进犯振武，李德裕亲自为刘沔制定了奇袭乌介可汗、夺回唐公主的策略。刘沔按照李德裕的战略部署进兵，他先以麟州刺史石雄、都知兵马使王逢率三千骑兵为先锋，自己率大军继后。石雄率军到了振武，晚上开地道出城，出其不意地袭击了乌介可汗牙帐。乌介可汗措手不及，身受重伤，只率百余骑仓皇出逃。回鹘兵因失去主帅，乱成一窝蜂。刘沔又率大军赶到，在杀胡山大破回鹘军，降其部落二万余人，并向朝廷奏捷。这次对回鹘的反击战，取得了重大的胜利。它维护了唐朝北方边境的安全，基本上解除了威胁。
指挥若定平定叛乱
会昌元年（公元841年）九月，李德裕采取正确的策略，平定了卢龙军乱。在平定了卢龙军乱不久，又发生了昭义镇对抗朝廷的事件。会昌三年（公元843年）四月，昭义节度使刘从谏病死，其侄刘稹欲仿效河朔三镇惯例，要求袭任节度使职务。当时反击回鹘侵扰的战事刚刚结束，在武宗与宰相讨论此事时，宰相多认为回鹘余烬未尽，边境还要加强警备，再讨伐泽、潞，恐怕国力难以支持，主张同意刘稹的请求。谏官和群臣也都表示赞成，李德裕则力排众议，坚决主张讨伐。李德裕还向武宗分析了当时的军事形势。武宗听了，高兴地说：“吾与德裕同之，保无后悔。”于是决定对昭义镇用兵。
李德裕奉命起草诏书，谕令成德节度使王元逵、魏博节度使何弘敬要为朝廷立功，为后代造福，二镇表示奉诏。接着便命王元逵为泽潞北面招讨使，何弘敬为南面招讨使，与河阳节度使王茂元、河东节度使刘沔、河中节度使陈夷行合力讨伐，并决定于七月中旬，各道兵马一齐进发。
李德裕总结了贞元、太和年间朝廷伐叛的经验教训，一是各藩镇出兵才离开边境，军饷便由国家负担，则藩帅迁延不再进军；或是取得一县或一栅寨，都以为胜捷，也逗留不前，因此多是出兵无功。这次刚一进兵，李德裕即奏请武宗，命王元逵径取邢州，何弘敬直取洺州，王茂元取泽州，李彦佐刘沔取潞州，不攻取县邑。因此，各路兵马似尖刀一样，直插入叛镇的心脏地区。二是监军干预军政，束缚了将帅的手脚，指挥不力。李德裕又和枢密使杨钦义、刘行深商定，监军不得干预军事，只取少数兵自卫，赏罚与将帅一视同仁，这样号令既简，将帅得以施其谋略。
李德裕运筹帷幄，指挥若定。他随时注意前线作战的进展情况，善于抓住薄弱环节，及时正确地处理一些军务。当他发现晋绛行营节度使李彦佐从徐州出发以后，行动迟缓，尚未交战，便立即上奏武宗，认为李彦佐顾望不前，没有讨叛的意思，及时改派骁将石雄取代他。石雄代替李彦佐后第二天即进击乌岭，连破五寨，俘杀叛军数以千计。王元逵进击尧山，又击败了刘稹的救兵，立了战功，李德裕则立即奏请武宗，加授元逵同平章事，大力表彰他的功劳，以激励他将。八月，昭义大将李丕前来投降官军，当时有人怀疑他是诈降，李德裕对武宗说：“自用兵半年，未有降者，现在不必问其是否投诚，且须厚赏以劝将来，但不要把他们安置于要地就是了。”这一做法，有利于分化瓦解叛军。九月，叛将薛茂卿攻破科斗寨，俘虏官军河阳大将马继等，劫掠并焚烧了十七个小寨。当时，人情汹汹，还有人扬言刘从谏在世时，蓄养了精兵十万，粮草足用十年，难以攻取，武宗也有些动摇。李德裕则坚定不移地说：“小小进退，兵家之常。愿陛下勿听外议，则成功必矣！”李德裕感到河阳兵力较弱，一旦被叛军击溃，将影响整个战局。他奏请武宗，马上从忠武军调拨五千人，增援河阳军，并请求武宗赐甲一千副，弓三千张，弦箭三万支，陌刀二千口，绢三万匹，及时补足了军事装备，很快稳住了阵脚。
正当官军大举讨伐昭义镇时，十二月，在调动太原横水戍卒时，因赏赐不足，军士哗变，他们推都将杨弁为首，攻占了太原。这时，朝廷中又掀起了一场轩然大波，有人建议两地都要停止进兵。会昌四年（公元844年）正月，被武宗派往太原以观察虚实的中使马元实，接受了杨弁的贿赂，回朝危言耸听，大肆为杨弁虚张声势，说杨弁兵多将广，列队长达十五里，盔甲刀戈，耀眼夺目，且物资充足，扬言不可讨伐。李德裕明察善断，当场诘问得马元实张口结舌，无言以对。李德裕上奏武宗说：“杨弁微贱，决不可恕。如国力不及，宁舍刘稹。”即时请下诏，调兵进击杨弁，河东监军吕义忠召榆社本道兵，“诛杨弁以闻”。杨弁的兵变失败了，从而也坚定了百官对讨伐昭义镇的信心。
在讨伐昭义镇的过程中，李德裕还善于听从部下的正确建议。其年闰七月，李德裕听取了镇州奏事官高迪的意见，曾有效地对付了叛军的“偷兵术”，并令镇、魏兵“进营据其要害”；他还听取了刘稹心腹、降将高文端的合围泽州、断绝固镇寨水道和招降洺州守将王钊的建议，都取得了成功。
李德裕排除了一个又一个的障碍，加快了讨叛战争的进度。八月，邢、洺、磁三州先后投降。刘稹的部将郭谊、王协见势不妙，遂谋杀了刘稹，投降唐军以赎罪。李德裕识破了郭谊等人的策略，认为刘稹年幼无知，昭义镇之所以敢对抗朝廷，郭谊等人是罪魁祸首，如果不加治罪，怎能惩治恶人？武宗赞同他的意见，命石雄进入潞州，将正在等待朝廷授予节钺的郭谊、王协等祸首，解送京城。
李德裕深谋远虑，发纵指示，历时一年零四个月的讨伐昭义镇的战争胜利结束了。武宗因李德裕劳苦功高，进封太尉、卫国公，加食邑一千户。
李德裕赞助唐武宗反击回鹘和讨伐叛镇都取得了成功，但他又担心武宗会由此穷兵赎武，不能戢止。因此他上奏武宗，援引了曹操于官渡，不追奔，“自谓所获已多，恐伤威重”；养由基善射，“不如少息，若弓拔矢钩，前功皆弃”的典故，劝武宗征伐无不得所欲，愿以兵为戒，乃可保成功。武宗听了，嘉纳其言。
