后唐长兴四年（933年）十二月，李嗣源病死后，石敬瑭听到消息，如丧考妣，悲痛不止。应顺元年（934年），李从厚继位，是为后唐闵帝。石敬瑭被加授中书令，调任镇州（今河北正定）成德军节度使，让在陕西的李从珂任河东节度使。李从珂因此发动了岐阳兵变，最后用眼泪使李从厚派去镇压他的将士归降于他，然后领兵杀向洛阳。
李从珂又让石敬瑭去商议军国大事，石敬瑭在路上遇到从洛阳逃出来的李从厚，李从厚的随将嫌石敬瑭不保李从厚，短兵相接后，石敬瑭就将李从厚的随从全都杀死，然后将李从厚幽禁起来，去向李从珂请功。最后李从珂派人将李从厚杀死。
李从珂继位以后，任石敬瑭为太原节度使、北京留守，充大同、振武、彰国、威塞等军蕃汉马步总管。虽然石敬瑭帮他除掉了李从厚这个后患，但并没有信任他，反而将石敬瑭当成最大的威胁来对待。想尽办法要将他调离河东这块根据地。
在石敬瑭到首都参加完李嗣源的葬礼之后，也不敢提出要回去，害怕李从珂起疑心，所以整天愁眉不展，再加上他当时有病，最后竟瘦得皮包骨，不像个人样。妻子李氏赶忙向母亲曹太后求情，让李从珂放石敬瑭回去。李从珂虽然不是曹太后的亲生儿子，但曹太后从小对他如同亲生一样，又见石敬瑭病成这样，估计难以构成什么威胁，于是就顺水推舟做个人情，让石敬瑭回到了河东。没想到这次竟是纵虎归山，后唐亡于他手。
石敬瑭回去之后，更是小心防范，其妻李氏有次回去参加李从珂的生日宴会，想早点回来，李从珂却醉醺醺地对她说：“这么着急回去，是不是要和石郎造反呀？”李氏回来告诉了石敬瑭，这使石敬瑭更加相信李从珂对他疑心很重，因为酒后人常说些平时不想说的话。从此石敬瑭就开始为以后做充分的准备。
一方面在首都的来客面前装出一副病态，说自己没有精力治理地方政务，以此来麻痹李从珂；另一方面，他几次以契丹侵扰边境为名，向李从珂要大批军粮，说是屯积以防敌入侵，实际是为以后打算。李从珂被他蒙在鼓里，屡次上当，但石敬瑭的部下却看了出来，在朝廷派人慰劳将士时，有的人就高呼万岁，想拥立石敬瑭做皇帝以功邀赏。石敬瑭害怕事情泄露，就将领头的将士共三十六人杀死。
为防止以后有变时措手不及，石敬瑭决定试探李从珂，就上书假装辞去马步兵总管的职务，让他到别的地方任节度使，如果李从珂同意就证明怀疑自己，如果安抚让他留任说明李从珂对他没有加害之心。但李从珂却听从了大臣薛文通的主意，薛文通说：“河东调动也要反，不调动也会反，时间不会太长，不如先下手为强。”后唐清泰三年（936年）五月，改任石敬瑭为郓州节度使，进封赵国公，又改赐“扶天启运中正功臣”名号。
接着降诏催促石敬瑭前往郓州就任，这下刺激得石敬瑭慌不择路地派遣桑维翰勾结契丹做了儿皇帝，从此留下百世骂名。石敬瑭先装病不走，然后又要求李从珂让位给李嗣源的亲生儿子李从益，说李从珂是养子，不应该继承皇位。
李从珂就下令罢免石敬瑭的所有官职，然后派兵讨伐，命张敬达领兵攻打太原。安重荣、安元信、安审信率军来援，张万迪等人率军来降。这个月里，城外围军进攻得非常激烈，石敬瑭亲自抵挡飞箭流石，人心虽然坚定，但仓里的粮食却逐渐匮乏。
石敬瑭早有计划，见兵临城下，自己又力量不足，就计划向契丹皇帝耶律德光求救，并向其许诺：割让幽云十六州给契丹，每年进贡大批财物，以儿国自称。刘知远（即后汉高祖）认为条件太屈辱，没有必要许诺这么多，但石敬瑭在桑维瀚的支持下一意孤行。
正愁没机会南下的耶律德光喜出望外，立即领兵从雁门关南下来救石敬瑭，最后偷袭大败后唐军队，杀死一万多人。后晋天福元年（936年）十一月，辽太宗耶律德光册石敬瑭为皇帝，改元天福，国号晋，契丹主自解衣冠授之。石敬瑭遂即位于柳林（今山西太原市东南）。石敬瑭则将幽云十六州，即今天的河北和山西北部的大片领土割让给了契丹。
十六州是：幽（今北京市）、蓟（今天津蓟县）、瀛（今河北河间）、莫（今河北任丘）、涿（今河北涿县）、檀（今北京密云）、顺（今北京顺义）、新（今河北涿鹿）、妫（音归，原属北京怀来，今已被官厅水库所淹）、儒（今北京延庆）、武（今河北宣化）、蔚（今山西灵丘）、云（今山西大同）、应（今山西应县）、寰（今山西朔县东马邑镇）、朔（今山西朔县）。
石敬瑭称比他小十岁的耶律德光为父皇帝，再每年进奉帛三十万匹。被后人所谴责的主要是割让土地，不仅使中原失去大片领土，而且使契丹轻易占领了长城一带的显要地区，此后，契丹便可以长驱直入直到黄河流域，中间没有了抵抗的天然屏障，为中原人民带来了无穷的灾难。
实际丢的不仅有16州，李嗣源统治时期丢了平州，宁州和营州在后唐灭后梁之战时被契丹趁机夺取。此外后晋杜重威投降后，耶律德光派耿崇美诱降，易州刺史郭固被杀，易州也被契丹占领。
对此种认贼作父、卖国求荣的行径，连其亲信都押牙刘知远也表示反对说：称臣可矣，以父事之太过，厚以金帛赂之，自足致兵，不必许其土田，恐异日大为中国之患，悔之无及。然石敬瑭不从，仍一意孤行。契丹主耶律德光得表大喜，以兵援之，大败后唐张敬达。
石敬瑭称帝后，很守“信用”，割幽云十六州给契丹，承诺每年给契丹布帛30万匹。幽云十六州乃北部天然屏障，至此中原完全暴露在契丹铁蹄之下。
石敬瑭在太原柳林（现太原市小店区刘家堡乡西柳林村，俗称柳林庄）称帝伊始，卢龙节度使北平王赵德钧，厚以金帛贿赂契丹，亦欲倚仗契丹以取中原，仍许石敬瑭镇河东。契丹主因当时困难重重，欲许赵德钧之请。石敬瑭闻讯大为惊惧，急令掌书记官桑维翰见契丹主。
桑维翰跪于契丹主帐前，自旦至暮，涕泣不立，苦苦哀求契丹放弃赵德钧之请。契丹主从之，并说桑维翰对石敬瑭忠心不二，应该做宰相。石敬瑭遂以桑维翰为中书侍郎、同平章事。同月，石敬瑭攻入洛阳，后唐亡。