趕了六十里地，到了張柴村。守在那兒的淮西兵毫無防備，被李祐帶的先鋒部隊全部消滅。李愬佔領了張柴村，命令將士休息一會，再留下一批兵士守住張柴村，截斷通往洄曲的路。一切安排妥當，就下令連夜繼續進發。

將領們又向李愬請示往哪裡去，李愬這才宣佈：「到蔡州去，捉拿吳元濟！」

將領中有一些是在吳元濟手裡吃過敗仗的，一聽到這個命令，嚇得臉色都變了。監軍的宦官特別膽小，急得哭了起來，說：「我們果然中了李祐的奸計了。」

這個時候，天色黑洞洞的，北風越刮越緊，鵝毛般的大雪越下越密。從張柴村通往蔡州的路，是唐軍從來沒走過的小道。大家暗暗叫苦，但是，李愬平日治軍很嚴，誰也不敢違抗軍令。

半夜裡，兵士們踏著厚厚的積雪，又趕了七十里，才到了蔡州城邊。正好城邊有一個養鵝、鴨的池塘，鵝鴨的叫聲，把人馬發出的響聲掩蓋過去了。

李祐、李忠義吩咐兵士在城牆上挖了一個個坎兒，他們帶頭踏著坎兒爬上城，兵士們也跟著爬上去。守城的淮西兵正在呼呼睡大覺，唐軍把他們殺了，只留著一個打更的，叫他照樣敲梆子打更。接著，開啟城門，讓李愬大軍進城。

大軍到了內城，也照這個辦法順利地打進了城，內城裡的淮西軍一點也沒有發覺。

雞叫頭遍的時候，天矇矇亮了，雪也止了。唐軍已經佔領了吳元濟的外院，吳元濟還在裡屋睡大覺呢。有個淮西兵士發現了唐軍，急忙闖進裡屋報告吳元濟說：「不好了，官軍到了。」

吳元濟懶洋洋躺在床上不想起來，笑著說：「這一定是犯人們在鬧事，等天亮了看我來收拾他們。」

剛說完，又有兵士氣急敗壞地衝進來說：「城門已經被官軍開啟了。」

吳元濟奇怪起來，說：「大概是洄曲那邊派人來找我們討寒衣的吧！」

吳元濟起了床，只聽見院子裡一陣陣吆喝傳令聲：「常侍傳令囉……」（常侍是李愬的官銜）接著，又是成千上萬的兵士的應聲。吳元濟這才害怕起來，說：「這是什麼常侍？怎麼跑到這兒來傳令？」說著，帶了幾個親信兵士爬上院牆抵抗。

李愬對將士說：「吳元濟敢於頑抗，是因為他在洄曲還有一萬精兵，等待那邊來援救。」

駐洄曲的淮西將領董重質，家在蔡州。李愬派人慰撫董重質的家屬，派董重質的兒子到洄曲勸降。董重質一看大勢已去，就親自趕到蔡州向李愬投降了。

李愬命令將士繼續攻打院牆，砸爛了外門，佔領了軍械庫。吳元濟還想憑著院牆頑抗。第二天，李愬又放火燒了院牆的南門。蔡州的百姓們受夠吳元濟的苦，都扛著柴草來幫助唐軍，唐軍兵士射到內院裡的箭，密集得像刺蝟毛一樣。

到太陽下山的時候，內院終於被攻破，吳元濟沒有辦法，只好哀求投降。

李愬取得了全勝，一面用囚車把吳元濟押送到長安去，一面派人向宰相裴度報告戰果。

裴度、李愬平定淮西、活捉吳元濟的訊息傳到河北，使河北藩鎮大為震動，紛紛表示服從政府。唐代藩鎮叛亂的局面總算暫時安定了下來。