将领们又向李愬请示往哪里去，李愬这才宣布：“到蔡州去，捉拿吴元济！”将领中有一些是在吴元济手里吃过败仗的，一听到这个命令，吓得脸色都变了。监军的宦官特别胆小，急得哭了起来，说：“我们果然中了李祐的奸计了。”这个时候，天色黑洞洞的，北风越刮越紧，鹅毛般的大雪越下越密。从张柴村通往蔡州的路，是唐军从来没走过的小道。大家暗暗叫苦，但是，李愬平日治军很严，谁也不敢违抗军令。半夜里，兵士们踏着厚厚的积雪，又赶了七十里，才到了蔡州城边。正好城边有一个养鹅、鸭的池塘，鹅鸭的叫声，把人马发出的响声掩盖过去了。李祐、李忠义吩咐兵士在城墙上挖了一个个坎儿，他们带头踏着坎儿爬上城，兵士们也跟着爬上去。守城的淮西兵正在呼呼睡大觉，唐军把他们杀了，只留着一个打更的，叫他照样敲梆子打更。接着，打开城门，让李愬大军进城。大军到了内城，也照这个办法顺利地打进了城，内城里的淮西军一点也没有发觉。鸡叫头遍的时候，天蒙蒙亮了，雪也止了。唐军已经占领了吴元济的外院，吴元济还在里屋睡大觉呢。有个淮西兵士发现了唐军，急忙闯进里屋报告吴元济说：“不好了，官军到了。”吴元济懒洋洋躺在床上不想起来，笑着说：“这一定是犯人们在闹事，等天亮了看我来收拾他们。”刚说完，又有兵士气急败坏地冲进来说：“城门已经被官军打开了。”吴元济奇怪起来，说：“大概是洄曲那边派人来找我们讨寒衣的吧！”吴元济起了床，只听见院子里一阵阵吆喝传令声：“常侍传令啰……”（常侍是李愬的官衔）接着，又是成千上万的兵士的应声。吴元济这才害怕起来，说：“这是什么常侍？怎么跑到这儿来传令？”说着，带了几个亲信兵士爬上院墙抵抗。
李愬对将士说：“吴元济敢于顽抗，是因为他在洄曲还有一万精兵，等待那边来援救。”驻洄曲的淮西将领董重质，家在蔡州。李愬派人慰抚董重质的家属，派董重质的儿子到洄曲劝降。董重质一看大势已去，就亲自赶到蔡州向李愬投降了。李愬命令将士继续攻打院墙，砸烂了外门，占领了军械库。吴元济还想凭着院墙顽抗。第二天，李愬又放火烧了院墙的南门。蔡州的百姓们受够吴元济的苦，都扛着柴草来帮助唐军，唐军兵士射到内院里的箭，密集得像刺猬毛一样。到太阳下山的时候，内院终于被攻破，吴元济没有办法，只好哀求投降。李愬取得了全胜，一面用囚车把吴元济押送到长安去，一面派人向宰相裴度报告战果。裴度、李愬平定淮西、活捉吴元济的消息传到河北，使河北藩镇大为震动，纷纷表示服从政府。唐代藩镇叛乱的局面总算暂时安定了下来。