他不願直接起兵對抗朝廷，卻也不願再為德宗賣命收復長安，大軍在咸陽按兵不動，日復一日拖延戰事，局勢徹底僵持。
朱泚得知李懷光與朝廷產生隔閡，立刻派人送來書信，願意以兄長之禮相待，約定平定關中之後，二人分地而治，永為鄰國，共同割據關中。
李懷光沒有立刻答應，也沒有斬殺來使上報朝廷，只是將書信扣留，內心搖擺不定，這一遲疑，成為後世認定他滋生反心的關鍵證據。
興元元年正月，唐德宗在奉天坐立難安，前線戰事停滯，叛軍盤踞長安，天下藩鎮觀望，唯一能依靠的朔方軍遲遲不肯進軍。
德宗反覆思索，認為是自己封賞不足，沒能安撫李懷光的委屈，決定拿出帝王最高規格的恩寵，徹底打消對方疑慮。
朝廷降下詔書，加封李懷光為太尉，這是古代武將能獲得的最高正一品官職，與此同時，派遣宦官攜帶丹書免死鐵券奔赴咸陽軍營。
丹書鐵券是什麼概念？相當於皇帝親筆立下的保證書，無論犯下何等過錯，只要不是謀逆大罪，均可赦免死罪，子孫後代也能蒙蔭。古往今來，只有立下蓋世奇功、皇帝極度信任的重臣，才有機會獲賜鐵券。在唐德宗看來，太尉之位加上免死鐵券，已是帝王能給出的全部誠意，李懷光理應感激涕零，即刻領兵出征。
宦官抵達軍營，當眾宣讀詔書，雙手捧上鎏金鐵券，全軍將士紛紛道賀，所有人都覺得李懷光榮寵加身，君臣隔閡就此消散。
可李懷光接過鐵券，細細看完上面的丹書文字，臉色驟然鐵青，抬手狠狠將鐵券摔在地上，鐵券撞擊青石地面，發出刺耳聲響，在場所有人瞬間噤聲，全場氣氛壓抑到極致。
李懷光厲聲開口，一番話被完整記載於新舊唐書：“凡疑人臣反，則賜券。今授懷光，是使反也！”
翻譯過來直白易懂：自古以來，只有皇帝心中懷疑臣子將要謀反，才會賜下免死鐵券安撫試探。如今陛下平白無故送我鐵券，分明是認定我心存反心，用一塊鐵疙瘩穩住我，這份恩賞不是嘉獎，是猜忌與警告！
宦官嚇得渾身發抖，反覆勸說李懷光冷靜，再三解釋皇帝一片苦心，李懷光全然不聽，言辭愈發悖逆，當眾宣洩長久積壓的委屈與不滿，宦官不敢久留，慌忙返回奉天向德宗覆命。
一塊象徵無上恩寵的鐵券，徹底斬斷了君臣之間最後一絲情分。李懷光認定朝廷再也容不下自己，心中反叛的念頭徹底壓過忠心，開始暗中佈局。
他第一時間給駐守奉天的部將韓遊瑰送信，邀約對方一同起兵反叛，夾擊奉天行宮。韓遊瑰深受朝廷厚待，內心忠於大唐，收到密信後沒有絲毫猶豫，直接將信件秘密上奏唐德宗。李懷光不死心，接連數次派遣使者催促，所有密使全被奉天城門守衛抓獲，謀反圖謀徹底暴露在德宗眼前。
眼見密謀敗露，李懷光不再掩飾，當眾揚言說自己已經與朱泚結盟，大軍隨時會進攻奉天，請皇帝儘早轉移避難。訊息傳入行宮，滿朝文武大驚失色，唐德宗恐懼之下，連夜帶著皇室百官離開奉天，向南逃往梁州，也就是如今的陝西漢中，再度開啟流亡生涯。
走到這一步，李懷光其實依舊留有退路，麾下不少忠心幕僚拼死勸諫。巡官李景略跪在他面前痛哭流涕，給出兩全之策：即刻全軍出兵剿滅朱泚，收復長安，之後解散部分軍隊，單人匹馬前往梁州行宮向皇帝請罪，即便遭受貶謫，一生戰功尚可保全，不至於落下叛臣千古罵名。
這番話句句切中要害，李懷光短暫動心，一度打算採納計策。可軍中手握實權的將領閻晏等人極力反對，認為朝廷猜忌早已根深蒂固，即便平定朱泚，日後皇帝清算，所有人難逃一死，不如全軍退守富庶的河中地區，佔據河東沃土，靜觀天下大勢，進退自如。
閻晏等人抓住軍中將士想要安穩、渴望劫掠富庶州縣的心思，向全軍許諾，退守途中任由士兵劫掠涇陽、三原、富平等十二縣，物資糧草盡數分給士卒。常年缺衣少食的朔方士兵心動不已，紛紛附和東撤計劃，李懷光被麾下將士裹挾，最終放棄歸順朝廷的機會，下定決心燒營東走。
大軍撤離咸陽前夜，李懷光燒燬全部營寨，帶著家眷、數萬士兵向東進發，沿途州縣慘遭劫掠，財物糧食一掃而空，民間雞犬不留，昔日保家衛國的邊軍，淪為侵擾百姓的亂兵。
行軍途中，軍心已經開始分裂。神策軍大將孟涉、段威勇看透李懷光反叛之路註定覆滅，率領三千兵馬中途脫離隊伍，投奔駐紮東渭橋的李晟；駐守邠州的韓遊瑰直接斬殺李懷光任命的留守將領，全城歸順朝廷；各地原本隸屬李懷光的州縣守將，紛紛切斷聯絡，向流亡梁州的唐德宗上表效忠。
手下將士分崩離析，外部局勢也急轉直下。朱泚最初將李懷光視為平起平坐的兄長，得知李懷光失去朝廷退路、麾下軍隊大量叛逃後，態度立刻反轉，下詔書要求李懷光向自己稱臣，還要徵調朔方軍為自己攻打唐軍。
前後落差讓李懷光羞愧又憤怒，兩邊徹底撕破臉。
他如今外有李晟、渾瑊兩路唐軍虎視眈眈，內有將士不斷逃亡，朱泚又視他為下屬，進退兩難，只能退守河中城閉門固守，陷入孤立無援的絕境。
興元元年四月，唐廷完成軍事部署，任命李晟為主帥統籌關中戰事，渾瑊為朔方行營副元帥，從西面逼近河中；又徵召威望卓著的河東節度使馬燧領兵東進，聯合駱元光、韓遊瑰、唐朝臣多路大軍合圍河中，徹底切斷李懷光所有對外通道。
此時大唐境內禍亂四起，連年乾旱蝗災，糧食大幅減產，朝廷流亡梁州，國庫空虛，各路大軍糧草供給時常中斷。朝堂不少文官上奏，稱國家無力支撐兩場戰事，朱泚盤踞長安、李懷光固守河中，雙線作戰損耗過大，建議赦免李懷光，招降安撫，集中兵力先收復長安。
馬燧堅決反對招降提議，親自入朝面見唐德宗，直言李懷光反覆無常，心存猜忌，今日赦免，他日藩鎮效仿，天下再無權威可言，主動請命限期平定河中叛亂。德宗最終採納馬燧意見，堅持圍剿李懷光。
幾路大軍逐步收縮包圍圈，馬燧率先率軍攻克絳州，掃清河中外圍據點，將李懷光死死圍困在河中城內。城內糧草日漸耗盡，百姓與士兵飢寒交迫，每日都有士兵翻越城牆出城投降唐軍，軍心徹底潰散。
李懷光被困孤城，看著昔日百戰精銳分崩離析，內心悔恨交加，卻已經沒有回頭路。他試圖派遣兒子李懷琟出城突圍求援，城外唐軍層層封鎖，突圍部隊死傷大半，皇子被困城中，父子終日相對嘆息。
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