十月二十七日，李催下达了对长安总攻击命令，战斗相当惨烈。战场上烟尘弥澡，喊杀霖天。军队多次攻到城边，但城上矢如飞蝗，军队被迫退回。一天下来，军队伤亡很大，护城河边，尸横一片。河水都变成了红色。敌军也有很大伤亡。军队连续进攻六七天，敌军支持不住了。十一月初九，军中郭汜最先用云梯登上了城墙，敌军土崩瓦解，长安被攻破。
李催进长安，效法刘邦入关时的做法，约法十二条。郭汜、杨彪、杨奉严禁部下劫掠平民，使百姓生活如故。
长安内城破之前已惊吓而死，拒不投降的人被斩首示众。为了争取政治上的优势，李催拥立刘协为帝。李催自号大丞相，都督内外诸军事，自封王，以长安为丞相府。然后论功行赏，郭汜和杨彪因战功卓着而受到重赏。郭汜的部下徐荣、胡轸等人都立有大功，樊稠、李蒙、王方亦得重赏。
李催攻占长安不到四个月，一百八十九年四月，董卓废弃了当时的皇帝刘辨（汉少帝），立刘协为傀罗皇帝。消息传到长安，李催认为刘辨巳无可利用的价值，便于五月自导了一场禅让闹剧，想登上皇帝宝座，并且连国号都给他改了，并且定都改为长安。
李催在短短半年多的时间里，成为一个拥兵数万、威震关中的将军，可以说其事业正处在蒸蒸日上的时候。但进入长安以后，李催却澈流勇退，交出了军权，结束了自己的军旅生活，留下了一个历史的疑问。从李催在战争中的表现来看，足以证明他是一个天才的军事家，然而究竟什么原因使李催放弃了自己苦心经营的事业呢？至今也没法弄清楚，成为一桩历史悬案。有人认为可能受传统思想影响，在帮助父兄攻占长安之后，有了比较稳固的根据地，而且又被册封为将军，所以不愿再上战场拼杀，想过一种安逸的贵族生活。
应该说这种可能性很小，因为从李催的作为来看，他绝非寻常为人帐下的材料，他是有着远大的目光和高远的志向，传统思想不会对他有何影响，最大的可能是李催患有疾病，迫使他不得不放弃军旅生活。这一可能最有力的佐证就是：李催进入长安之后，没多久就死了，而他此时也是非常的年轻，至于到底是否真的被杀也是不得而知。