皇祐年間，廣源州蠻儂智高反叛，攻陷邕州，又攻破了沿江的九個州，包圍廣州城，嶺外一帶騷動不安。楊畋等安撫使負責處理平定蠻人叛亂，但宋軍長久沒有成績。又命孫沔、余靖做安撫使率官軍討伐叛賊，但宋仁宗仍放心不下。狄青打報告請戰，第二天入見宋仁宗時，他說：“臣當兵出身，除了戰場殺敵，沒有什么可以報效國家。希望能帶得數百個蕃落騎兵，再加上一些禁兵，去將叛賊的頭砍下送回京城。”宋仁宗佩服他的豪言壯語，于是任命他為宣徽南院使、宣撫荊湖南北路，負責處理廣南叛亂之事，并在垂拱殿設酒為他送行。當時儂智高回師重新占據邕州，狄青聯合孫沔、余靖的部隊進駐賓州。

在此之前，蔣偕、張忠都因輕敵而戰敗陣亡，官軍聲威大衰。狄青命令各將不得妄自與叛軍接戰，而聽從他的統一指揮。廣西鈐轄陳曙趁狄青還未到，便擅自率步兵八千攻打叛軍，潰敗于昆侖關，殿直袁用等人都逃遁了。狄青說：“號令不一，是部隊失敗的原因。”早晨集合各將領到堂上，逮捕了陳曙，并召來袁用等三十人，依戰敗逃跑罪，推出軍門斬首。孫沔、余靖相視驚愕，而眾將領則嚇得兩腿顫栗。

后來軍隊停止前進，休整十天。偵察的人回報，以為宋軍不會很快進擊。但狄青第二天便集合軍隊人馬，一晝夜就過了昆侖關，從歸仁鋪出來布陣。叛軍失去了險要陣地后，都出來迎戰。前鋒孫節與叛賊在山下搏斗而死，叛軍士氣極高，孫沔等人嚇得臉色都變了。狄青手舉白旗指揮騎兵，從左右兩翼沖出，出于叛軍意料之外。大敗叛軍，追擊了五十里，斬了數千首級，儂智高同黨黃師宓、儂建中、儂智中以及偽官僚吏屬被殺死者有五十七人，生擒叛賊五百多人，儂智高在夜間縱火燒城后逃走。黎明時，狄青嚴管著部隊開進了邕州城，繳獲金銀玉帛數以萬計，雜畜數千，又招集曾被叛軍俘虜脅迫的老壯年人七千二百人，慰撫之后釋放、遣散。將黃師宓等人的頭掛在邕州城下示眾，又斂集叛軍尸體在城北角建筑京觀。當時叛軍尸體中有個穿金色龍袍的，部下眾人說是儂智高已死，要向朝廷報告。狄青說：“怎知這不是一個騙局呢？我寧可說儂智高失蹤，也不敢欺騙朝廷來貪求戰功。”當初，狄青到邕州時，正遇上這里毒瘴彌漫，有人說是叛軍在江水上游放毒，將士飲水而死者很多，狄青非常憂慮。一夕，有一股泉水從寨下涌出，取來一喝，味道甘美，部隊靠此才渡過了難關。

后復任樞密副使，升護國軍節度使、河中尹。回到京師后，宋仁宗嘉獎他的功績，任命他為樞密使，并賞賜給他一套在京師敦教坊的宅第，還特優先給他的兒子們加官進級。起初，狄青已率部南下后，宋仁宗常為他擔憂說：“狄青有威武的名聲，叛軍應會害怕他的到來。擔任左右傳令的人，非狄青的親信者不可，雖然是飲食起居的時候，都應該防備突然襲擊的發動。”于是派使者飛馳前線訓戒。等獲悉狄青已打敗叛軍，宋仁宗對宰相說：“快快議定恩賞，慢了便起不到獎勉的作用了。”

起初，交趾人請求出兵幫助朝廷討伐儂智高，余靖說他們可信，便在邕州、欽州準備了萬人的糧草等待他們。宋仁宗還下詔用三萬緡錢賞賜給交趾國做軍費，并許諾平定叛亂后再有厚賞。狄青到此后，傳令余靖不要派使者到交趾借兵，并立即上奏說：“交趾國李德政聲稱將率步兵五萬、騎兵一千趕來支援，不是真的。而且借蠻夷來消滅內寇，對我無利。憑一個儂智高就能橫行、蹂躪兩廣，使朝廷無力討伐，如果再向蠻夷借兵，那蠻夷貪得無厭，不仁不義，進而發動戰亂，又怎么抵御他們呢？請取消要交趾出兵援助。”意見被采納。叛軍被平定后，人們都佩服他有遠略。