黄巢起义军从北到南，由福建打到广州，横扫了中国的东半部，极大地动摇了唐王朝的统治。但黄巢是个很有雄心的领袖，他并没有满足于在南方的胜利，而是挥师北上，扩大战果。起义军从广州出发，进入湖南、湖北，在这些地方与官军打了不少苦仗，不过最终都以起义军的胜利而告终，因此起义军越战声势越大，越打队伍越庞大，朱温也由一员校官，提升为偏将军，成了黄巢军事集团中的得力战将。
公元880年，黄巢起义军转战浙西、河南，突破潼关天险，直逼长安。唐僖宗率领百官匆匆地逃离长安，躲避到汉中。12月，起义军开进长安，黄巢在长安称帝，建立了大齐政权。
不过唐王朝并不甘心失去长安，他们调集全国各地的兵马，企图一下子将新生的大齐政权消灭。僖宗命令宰相郑畋为京城四面诸军行营都统，率诸道官军进攻黄巢。黄巢急忙命令朱温将部前去迎战。这时朱温审度形势，给黄巢献了一计。他说：“如今唐军大举反攻，自在预料之中，但现在唐军江淮的给养线已经控制在我军的手里，他们现在的给养则主要来自荆襄，如果不断其运输之途，我军总会处于被动挨打之中。若要彻底解决问题，还须斩断其根。依臣之见，我军最好不要与唐军在关中相拼，而应主动出击，到关外去，截断唐军的给养线，让他们不战而退。
黄巢接受了朱温的建议，任命他为东南成行营虞侯，率军攻取荆襄路的要冲邓州（今河南邓县）。朱温率军从长安东进，来到邓州，在这里苦战一月，攻下邓州，活捉唐邓州刺史赵戒。黄巢十分高兴，当即任命朱温以其部镇守邓州。然而唐王朝荆襄给养线被攻下之后，它在成都的势力依然还是很强大的，唐僖宗逃到成都之后，利用唐王朝旧有的影响，号召天下兵马进攻长安。随着入关同起义军作战的官军日渐增加，起义军被围困于长安一带，粮草都得不到补充，形势十分严峻。
在这危急的时刻，黄巢想到了朱温，他将朱温从邓州召回长安。可是就在朱温镇守邓州的一年多里，大齐政权内部发生了很大变化，朝中大臣嫉妒朱温的功劳，时常在黄巢的面前挑拨，还建议黄巢削弱朱温的权力。大敌当前，黄巢尽管不敢失去这员大将，但他终于还是作出一种不利于大齐的选择
当时大齐政权的主要威胁主要来自于长安的西南部的汉中和东北部的河中，黄巢知道朱温能征善战，便将最艰巨的任务交给他，任命他为同州（今陕西大荔）刺史，不过这个官并不是送到他面前的，而要他自己攻取。而此时的同州也是唐王朝保护的重点，四面都布有重兵，即使攻取了，如果没有后援，也难以守住。尽管如此，朱温还是领命前往。
经过苦战，朱温攻克同州，原刺史米诚逃奔河中。但同州附近的唐军则像铁桶一样，将朱温团团包围。朱温一面给长安去信求援，一面主动出兵，向河中城区进攻。但由于河中兵力太盛，朱温的进攻没有奏效，只得退保同州，连连请黄巢增派援兵。大齐政权中掌握枢要的知右军事孟楷嫉妒朱温的战功，想借此置他于死地，于是便一直没有发兵相救。
朱温见救兵不到，心中愤愤不平。唐河中招讨使王重荣乘机派人前来诱降，说只要他肯归顺朝廷，朝廷将会给他享不尽的功名富贵。朱温此时正对黄巢怀恨在心，在王重荣的劝诱之下，终于，乡村流氓无产者的本性又暴露出来，9月，朱温杀掉监军严实，投降唐王朝。远在成都的僖宗闻讯大喜，立即下诏授朱温为左金卫大将军，河中行营副招讨使，并赐名朱全忠。朱温为讨好王重荣，自称母亲王氏与重荣同姓，认为他舅父。自此朱温又率官军加入了镇压起义军的行列，所至大行杀掠，毫不手软，成了唐王朝镇压黄巢起义的一只得力的鹰犬。
在唐军与叛将朱温的联合攻击之下，黄巢在外围的兵力越来越弱了，长安城处在唐军的层层包围之中，不得不撤离长安，退往陈州（今河南淮阳市）一带，唐僖宗从成都回到长安，唐朝百官也纷纷回到京城，京都好像又显得热闹起来了。
朱温因镇压起义军有功，受到唐王朝的嘉奖，被任命为宣武军节度使（治汴州，今河南开封），负责清剿黄巢在东南的残余力量。朱温有了汴州，就意味着他有了自己的势力范围。此时的朱温对唐王朝的形势已十分明了，他深知唐僖宗对各地局势已失去控制，各地藩镇纷纷拥兵自立，割据一方，仅唐朝廷授一个节度使的官衔没有多少意义，关键要自己足食强兵，建立稳固的势力范围。因此，在对黄巢军的作战中，他便不肯像过去那样充当先锋了，而是以攻城略地为首要目的。对于其它藩镇，他也是野心勃勃，能吞则吞，不到半年的功夫，他已经将汴州城附近的几个州县都据为己有了。
至中和四年（884）年初，对黄巢的作战已经到了关键的时候，为了加强与黄巢作战的力量，节省自己的兵力，朱温与徐州节度使时溥、忠武节度使周岌共同请河东节度使李克用率军镇压起义军。李克用本为沙陀人，拥兵据有雁门（今山西代县）一带，后被唐朝召入关中镇压起义军，率先攻入长安，黄巢退出长安后，他被任命为河东节度使。他也时时有进攻中原的野心，想通过镇压黄巢而扩大自己的地盘，所以接到朱温等人的请求后，他立即挥军南下。三月，抵陈州一带，与朱温等人合兵，向黄巢军频频进攻，黄巢寡不敌众，引军北上，想进逼汴州，但在中牟境内被李克用与朱温击败，退往兖州方向。六月，遇害于狼虎谷（今山东莱芜市境）。