数日后，李愬派人来见裴度。李愬自到达唐州后，连战皆捷，每得降将降卒，都善待他们，亲自询问，因此掌握了吴元济军中虚实以及山川险易。李愬又颇具识人之鉴，能从降者面部神情以及话语态度中判别是否可信。当他与降将李佑谈论后，心中大喜，夜夜密谈。李佑提议道“如今蔡藩的精兵强将大部分都聚集到了蔡州北面的洄曲，少数在蔡州南部及东部边境拒守。蔡州的守城者多为老弱之卒，我知道蔡州西面有一条间道可以直达，我们可以乘虚直取吴元济老巢。”李愬叹道“妙！”于是李愬与李佑定下计策，派人告诉裴度。裴度极其信任李愬，这次让李愬来就是他向皇帝提出的，当下对李愬使者说道“兵非出奇不胜，李愬可依计而行。但兵贵神速，要快！”
十月十日这天，寒甚。下午，彤云密布，北风呼啸，天空开始飘飘洒洒的下起雪来。李愬走出营帐，掬雪在手，喜道“天时如此有利，奇袭定能成功！”于是李愬命史旻留下来镇守文城，降将李佑与李忠义领三千精锐为前锋，这三千精锐可是李愬自己亲自选拔训练的,足见他对李佑的信任。李愬另率三千人为中军，田进诚领三千人殿后。为了使行动保密，李愬除以上将领外再没告诉他人，并告诫他们万万不可泄露。因此当军令突然下达后，兵士都不知道要去哪里，只听将领传命道“一直向东走”。军行六十里后，时已入夜，唐军到达张柴村。张柴村戍卒完全不料会有兵士到来，慌张之中被全部歼灭。在此，李愬令军士稍微休整了一下，饭后留下五百人镇守，并使他们截断通往洄曲以及其他方向的桥梁，以防城破后敌人逃走。紧接着下令全军立即发动。这时很多将领来问李愬军队的去向，李愬心想距离蔡州仅有几十里路了，手下兵士既入死地，退不得退，只有拼力向前，这时已经不需再保密了，便说道“入蔡州，擒吴元济。”
诸将听后都大惊失色，很多军士都开始哭泣抱怨，有的说道“果真中了李佑奸计，这回怕是死无葬身之地了。”在李佑初降时，诸将都提防李愬不可待之过于亲近，怕是有诈，李愬一无所听，因此很多将领都对李愬有意见。但此时此地，也唯有听命而行了。听着呼啸的山风，飘落到身上的雪花让军士们寒意更甚。军旗冻断了好几杆，旗帜也冻裂了好几只。风雪愈来愈甚，寒风凛冽彻骨，体弱之士卒与马匹开始有禁不住寒冷而倒下的，手脚冻僵者更多。而李愬怕天亮之前抵达不了蔡州又下令加快行军的速度，抱戈僵仆者随着行军越来越多。李愬看在眼里，内心却仍能镇定。他自叹道“用兵实乃艰辛凶险之事。然视远者不顾近，虑大者不详细。此次奇袭若成功，牺牲者岂不是要比大军对阵拼杀少的多吗？功业之难，岂足为寻常人所道哉！”
自张柴村以东的道路，从来没有人走过。夜半，雪愈发的大了，平地深数尺。所过之路，陡峭崎岖之山路为多，再就是沼泽陂池，险恶非常，不少军士滑落山崖，陷进池泽。官军人人以为即便到达蔡州也是必死，但他们都畏惧李愬军威，不敢违令，继续前进。大军又行了七十里，终于抵达蔡州，天仍晦暗，风雪不止。这时唐兵于路已耗损十之二三。蔡州近城处有一大片鹅鸭池，因吴元济喜食禽类，在此养了很多鸭鹅。李愬令将士击打这些鸭鹅，在鸭鹅的叫声中，行军的声音被很好的掩盖了。唐兵前锋部队已来到城墙外，蔡州守城将士竟仍无一人察觉。他们谁都料不到唐兵会在大雪夜走这条路来到，个个酣睡未醒.此时风渐小，雪依然很大。李祐抬眼望着千朵万朵雪花洋洋洒洒而下，心说道“男儿当于此时立功，方能不负此生。”于是李祐、李忠义在城墙上凿坎，攀登而上，率先登上城墙。劲卒随之而上，尽杀守门士卒，只留击柝者，使击柝如故，因此蔡州城内军民仍然一无所知。李佑随后令人大开城门，放兵士入城。
黎明时分，雪停，李愬也入了城，止于吴元济外宅。这时才有兵士告元济道：“城已陷矣。“元济尚未醒过神来，毫不惊慌的说道：“不过是天冷了，洄曲子弟回来求寒衣罢了。“不久后听到李愬军中传递号令，军士应命者有近万人，声震数里。吴元济这才惊恐万分：“果真有神兵到这里了？“慌忙率左右兵士登上内城抵抗。田进诚率兵围城而攻，飞箭如雨，城上箭矢密如刺猬之毛。吴元济此时仅有兵士不到千人，与朝廷讨伐大军对抗近四年，城内粮储亦用尽。城内居民也助唐兵攻城，很快城破，吴元济被生擒。败讯传到洄曲后，董重质亦带领部众而降。
淮西蔡州平定，朝廷也抓获了刺杀武元衡与击伤裴度之人，经审讯后供出是淄青节度使李师道所派。此时王承宗已知悔惧，上书请罪，书中大致言道“罪臣愿以后尽遵朝廷约束，按时向朝廷贡赋。若陛下仍然愤怒，请派人来替我做此节度使，我亲自面见圣上，再请圣上治罪。”唐宪宗心想讨伐王承宗的战事僵持不下，既然王承宗已知悔改，不妨赦免了他，讨伐罪不容诛的李师道才是要紧之事。于是唐宪宗派李愬与阿跌光颜、魏博节度使田弘正领大军讨伐李师道。大唐兵一路克城斩将，李师道已处于孤立无援的境地，每闻风动鸟飞都惊以为是唐兵之至，忧惧成疾。最终其部下刘悟领兵反戈，杀掉李师道父子，以郓州城归唐，其余未克城池之后也全部归正。
淮西蔡藩平定后，群臣请纪圣功，刻于金石。于是唐宪宗令学士韩愈作文曰：“……淮蔡不顺，自以为强。始命讨之，遂连奸邻，阴遣刺客，来贼相臣。方战未利，内惊京师；群公上言，莫若惠来。帝为不闻，与神为谋，乃相同德，以讫天诛。
乃敕颜、胤、恕、武、古、通，咸统于弘，各奏汝功。三方分攻，五万其师，大军北乘，厥数倍之。常兵时曲，军士蠢蠢，既翦陵云，蔡卒大窘。胜之邵陵，郾城来降。士饱而歌，马腾于槽，试之新城，贼遇败逃。尽抽其有，聚以防我，西师跃入，道无留者。额额察城，其疆千里，既入而有，莫不顺俟。……既定淮蔡，四夷毕来；遂开明堂，坐以治之。”之后在蔡州立碑并将此文刻于碑上。
自淮西，淄青两藩镇被平后，其余藩镇都惊悚知惧，束手听命。自此飞扬跋扈三十余州近六十年的藩镇开始尽遵朝廷约束，按时上贡，官吏变更也不再自己做主，而是听朝廷之命。大唐号令得以再次行于天下。
然而唐宪宗之世，因讨伐藩镇而广调天下之兵，国储几乎用尽，导致国力大衰，百姓也苦于税收转运之苦。在唐宪宗死后，各藩镇又渐渐的跋扈起来，历代天子无力讨伐，只得继续采取纵容政策，直至黄巢起义天下大乱。