娄师德当时是长安的监察御史，见到《猛士诏》后，毅然投笔从戎，头戴红抹额前去应募。唐高宗大喜，任命他为朝散大夫，让他随军出征。是年九月，没有作战经验的李敬玄，在青海（今青海湖周边）被吐蕃军神论钦陵打的大败亏输，一万前锋全军覆灭，先锋刘审礼战没，王孝杰被俘。逡巡不敢上前的李敬玄见势不妙，带着中军狼狈逃窜，但被蕃将跋地设率领的一支吐蕃军队事先占据险要之地，堵住了归路，唐军只能在承风岭挖壕防御。
这时，论钦陵指挥大军从四面合围而来，十几万唐军眼看就要成了瓮中之鳖。可主帅李敬玄呢，除了晃脑袋，长吁短叹外，一点办法也想不出来。所幸，他带着黑齿常之这猛人。黑齿常之趁夜色，带五百手下拼死劫营，搅和得吐蕃军心大乱。守将跋地设以为唐朝援军赶至，自身逃走，蕃军大溃。李敬玄得以侥幸逃回鄯州（今青海乐都）。《资治通鉴·唐纪十八》：九月……丙寅，李敬玄将兵十八万与吐蕃将论钦陵战于青海之上，兵败，工部尚书、右卫大将军彭城僖公刘审礼为吐蕃所虏。
时审礼将前军深入，顿于濠所，为虏所攻，敬玄懦怯，按兵不救。闻审礼战没，狼狈还走，顿于承风岭，阻泥沟以自固，虏屯兵高冈以压之。左领军员外将军黑齿常之，夜帅敢死之士五百人袭击虏营，虏众溃乱，其将跋地设引兵遁去，敬玄乃收余众还鄯州。此战娄师德也算侥幸捡了条命，但之后，娄师德和黑齿常之开始在河湟地区，相互配合大放异彩。
就在青海兵败不久，论钦陵的弟弟赞婆与娄师德会于赤岭（今青海日月山）。也不知道，娄师德是怎么白呼的，愣是把赞婆绕蒙圈了，放弃了大好的进攻态势，撤军而回。《新唐书·娄师德传》：“因使吐蕃。其首领论赞婆等自赤岭操牛酒迎劳，师德喻国威信，开陈利害，虏为畏悦。有功，迁殿中侍御史，兼河源军司马，并知营田事。”之后，娄师德开始收拢青海之战溃散的唐军，在河源军（治今青海西宁）屯住与吐蕃对峙，逐渐稳定住了局面。
相比于黑齿常之更擅武功，尤其喜欢黑夜劫营的火爆脾气，娄师德则更偏于文治的水磨工夫。他在河源驻军时，大力开展拓地屯田，招募周边流民前来耕种，并以此来稳定军心激发士卒斗志，随着军镇户口渐多，娄师德开始逐步开始在外围修筑堡寨，将河源军镇打造得如铁桶一般。高宗永淳元年(682年)五月，论钦陵率众进犯柘(今四川黑水南)、松（今四川松潘）、翼(今四川黑水东)等州。
十月，又入寇河源。娄师德在巩固后防之余，跳出外线作战，在白水涧(今青海湟源南)成功伏击了吐蕃军队，随后又在追击战中，连续催垮了后续的蕃军，史称“八战八捷”。战后，娄师德受封为比部员外郎、左骁卫郎将、河源军经略副使，与河源军经略大使黑齿常之共御吐蕃。为了不让娄师德推辞，武则天特意说：“卿有文武材，勿辞也！”武周天授元年（690年），娄师德升任左金吾将军、检校丰州都督。
他身穿皮袴，亲自率士卒开垦荒田，储积粮食数百万斛，使得边军粮秣充盈，再无转运之费。《新唐书·娄师德传》：衣皮袴，率士屯田，积谷数百万，兵以饶给，无转饷和籴之费。武后降书劳之。两年后(武周长寿元年，692年)，娄师德被召回朝廷，次年进“同凤阁鸾台平章事”(即同中书门下平章事)位列宰阁。因娄师德熟知边关形式，且对军镇屯田皆有心得，很快便成了武则天对吐蕃用兵的重要幕僚。
武周时期，能有收复安西四镇等重大军事胜利，都与他的出谋划策不无关系。除此之外，《新唐书·娄师德传》还记载了一段，他和狄仁杰间的小交集，赞叹其有识人之明。据说，娄师德曾上书举荐过狄仁杰，等到二人皆位列相班后，狄仁杰多次给娄师德脸色看，娄师德则一贯以龟息大法应对。武则天故意逗狄仁杰，问道：“师德贤乎？”狄仁杰答道：“做将领时很谨慎，其他的我就不知道了！”武则天又问：“可有识人之明？”“臣未闻其识人也。
”武则天听后乐了，拿出当年娄师德举荐的奏章，说道：“你就是娄师德推荐的！”狄仁杰大惭，叹道：“娄公盛德，我为所容乃不知，吾不逮远矣！”《新唐书·娄师德传》：狄仁杰未辅政，师德荐之，及同列，数挤令外使。武后觉，问仁杰曰：“师德贤乎？”对曰：“为将谨守，贤则不知也。”又问：“知人乎？”对曰：“臣尝同僚，未闻其知人也。
