678年（仪凤三年），唐高宗命李敬玄征讨吐蕃，并在河南、河北招募猛士。 娄师德虽是文臣，却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。
同年九月，李敬玄兵败，大将刘审礼被俘。娄师德在洮河收集散亡将士，后又奉命出使吐蕃，与吐蕃将领论赞婆会于赤岭（今青海日月山）。他宣扬唐朝威信，陈述利害，使吐蕃既敬畏又心悦诚服，被改任为殿中侍御史，兼河源军司马，并主持屯田事务。
682年（永淳元年），吐蕃入侵河源军（治今青海西宁）。娄师德率军在白水涧（今青海湟源南）迎战，八战八捷。唐高宗认为他文武全才，便任命他为比部员外郎、左骁卫郎将、河源军经略副使。
690年（天授元年），娄师德升任左金吾将军、检校丰州都督，仍旧主持屯田事务。 他身穿皮袴，亲自率士卒开垦荒田，储积粮食数百万，使得边军军粮充足，不再受粮草转运之苦，受到武则天的嘉奖。 692年（长寿元年），娄师德被召回朝中，担任夏官侍郎、判尚书事，次年又拜同凤阁鸾台平章事，成为宰相。
694年（延载元年），武则天对娄师德道：“军队在边疆，必须开垦荒田，您不能因此事辛劳而畏难。”便任命他为河源、积石、怀远等军及河、兰、鄯、廓等州检校营田大使。后来，娄师德又改封秋官尚书、原武县男。
696年（万岁通天元年），娄师德被任命为左肃政台御史大夫、肃边道行军副总管，与夏官尚书王孝杰一同征讨吐蕃。三月，唐军在素罗汗山被吐蕃大将论钦陵击败，王孝杰被削官为民，娄师德则贬为原州员外司马。
697年（神功元年），娄师德升任凤阁侍郎、同凤阁鸾台平章事，再次担任宰相。 不久，娄师德被任命为清边道副大总管，攻打契丹，后与河内王武懿宗、狄仁杰一同安抚河北各州。 九月，娄师德改任纳言，进封谯县子。 698年（圣历元年），娄师德充任陇右诸军大使，主持河西屯田事务。
699年（圣历二年），突厥入侵，娄师德出任检校并州长史、天兵军大总管。同年九月，娄师德在会州（今甘肃靖远）病逝，终年七十岁，追赠凉州都督，谥号贞。
