此役斩获千余人，夺取战马三百匹，一战成名。
金兵进占陕州城后，让降兵和未逃散的士卒驻守，并派当地人任官职，命其将市民召回城中，李彦仙趁机派兵士混入城内。
建炎二年（1128年）三月，李彦仙率兵攻打陕州南门，金兵慌忙到南城抵抗。
当晚，预伏的水军从新店出发，顺流而下至陕州城东北的蒙泉坡、龙塘沟，潜入城内 ，与城内军队呼应夹击，金兵弃城逃散，陕州城光复。
当时李彦仙联合各路义军守陕州，任命河东义军领袖胡夜叉为沿河提举。
胡夜叉不满，劫掠陕州南原，随后被李彦仙诱杀，获得其部众五千。
胡夜叉部下义军首领邵隆、邵云原本想要报仇，但在彦仙的劝说下归服。
彦仙乘胜渡过黄河，在中条山建立营寨，蒲州、解州至太原的老百姓纷纷前来归附，于是派邵隆、邵云等率军攻打陕州的芮城，河中府的虞乡，绛州的绛县、正平，解州的解县、安邑，接连告捷。
彦仙部与金人在蒲州反复拉锯，因金军援军到达而放弃继续攻蒲州城，将所俘金将护送至行在。
宋高宗对辅臣说：“知李彦仙与金人战，再三获捷，朕喜而不寐。”
于是授李彦仙陕州知州兼安抚使，升武节郎、阁门宣赞舍人，并赐他袍带、枪剑。
建炎二年四月，李彦仙主动节受鄜延经略使王庶的统领，向来与王庶有隙的曲端对此非常不满，这也使李彦仙和曲端之间产生了矛盾，成为陕州孤立无援、最终陷落的原因之一。
李彦仙收复陕州时，潼关以东仅有此城还在宋朝手中。
李彦仙加紧修筑城墙，深挖护城河，扩充军备，大力屯田，并将全家从巩州搬到陕州，表示要“以家殉国、与城俱存亡。”听者无不动容。
建炎二年（1128年）冬，李彦仙在陕州城下与金将乌鲁撒拔大战七天，金兵死伤惨重，怆惶撤离。
建炎三年（1129年），娄室从绛州移屯蒲州、解州，发兵陕州，李彦仙通过谍报知道后在中条山设伏，痛击来犯之金军，俘获金将十八人，娄室侥幸脱逃。
正月十二日，麾下将领邵隆收复虢州（今灵宝、卢氏），彦仙命其知虢州 。
彦仙任命另一位将领党松知同州（今陕西大荔），但由于当时同州城还为金军占领，因此党松将治所设置于同州城三十里以外的下寨（今大荔下寨镇）。
李彦仙被朝廷授予右武大夫，宁州观察使兼同、虢二州制置使（据《宋名臣言行录》载为河、解、同、耀制置使）。
当时有河东土豪暗中投靠，期待与宋军里应外合。
李彦仙猜测此后金人必合兵来攻陕州，于是立即派人造访川陕宣抚使张浚请求支援三千骑兵，并请张浚在金人攻陕州后，立刻渡河向北进攻绛州（今山西新绛）、晋州（今山西临汾）、汾州（今山西汾阳）、并州（今山西太原）等地，捣其心腹，金人必撤军自救，然后从岚州（今山西岚县）、石州（今山西吕梁）向西渡河，取道鄜州、延州（今陕西延安）以归 。
然而张浚回信劝李彦仙放弃陕州，空城清野，据险保聚，俟机而动。彦仙没有听从。
建炎三年（1129年）腊月，娄室果然与折可求合兵十万，进犯陕州。
娄室将士兵分为十部，从元旦日起轮流进攻陕州。
李彦仙端坐樵楼之上，一边饮酒，一边令手下人役大作鼓乐。
夜里，李彦仙派健卒缒出城墙，焚毁金兵攻城器械，金兵大惊，后退数里扎营。
此时城中粮食已尽，只能煮豆充饥，李彦仙令士兵食豆，而自己则饮其汁。
在豆子也耗尽后，李彦仙只得再次向张浚求援，张浚一面派人从僻道带着金币前来劳军，一面急令泾原路都统曲端出兵敌后的鄜州、坊州，但曲端素来嫉妒李彦仙军功，谎称无法出兵 。
彦仙幕下官员谢升劝张浚说：“金人很快会攻下陕州，之后便会完全占据黄河，并且觊觎四川了。”
于是张浚亲自从长安率兵来援，但因道路被阻而不得进。
陕州部将邵隆、吕圆登、杨伯孙等都率兵前来救援州城，然而少有能最终入城的。
李彦仙每日与金人战，将士未尝解甲。
娄室敬重李彦仙才能，企图派使者劝降，许以河南兵马元帅之职，李彦仙断然拒绝，并斩杀来使。
后来娄室又派人到城下，称“只要投降，立即授予之前许下的官秩”，李彦仙告诉使者：“吾宁为宋鬼，安用汝富贵为”，之后命令手下以强弩射死来人。
此后李彦仙命令在陕州城墙上设钩索，每日钩取金人，舂斮于城墙上。
因围城已久，守城士兵伤亡人数不断增加，而金兵的攻势也越发猛烈。
建炎四年正月十四日，金兵破城而入，在激烈的巷战中，李彦仙左臂被砍而未断，全身中矢如同刺猬。
陕州居民全无二心，即便是妇女也登上屋顶用瓦砸金人，并为他哭泣不已。
娄室惜才，命部下必须生擒李彦仙，得者可获万金。
李彦仙为免被敌人俘虏，换上便衣准备渡河逃脱，称：“我不甘以身受敌人之刃。”
由于陕州军民反抗激烈，娄室怒而屠城，李彦仙听闻后不禁大为悲痛，说：“金人之所以屠城，全是因为我长期坚守不降之故，我有何面目苟且偷生呢？”
然后投河而死，年仅三十六。
其全家也被金兵屠戮，只有其弟李夔、其子李毅幸免于难。其裨将邵云、吕圆登、宋炎、贾何、阎平、赵成等也都战死于此役。
绍兴二年（1132年），张浚承制赠彦仙彰武军节度使，在商州建“忠烈祠”以为纪念，官其子，给宅一区，田五顷。
绍兴九年，宣抚使周聿请求在陕州立“义烈祠”作为纪念。
后来因为商、陕被割让给金国，其子李毅向朝廷奏言其父功绩，于是宋孝宗乾道八年（1172年），朝廷在阆州再立“忠烈祠” ，并赐谥号“忠威”。
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