淮北的冬天来得比较早，十月中旬就已经很冷。连日来天空中浓云密布，十月十五日清早，朔风骤起，接着纷纷扬扬地下起大雪来。李愬走出营门一看，认为奇袭蔡州的时机到了。他立刻传令李祐带领突击队3000人作先锋，他自己带领3000人为中军，部将李进诚带领3000人担任后卫，自文城栅出发。部将们不知道要向哪里进军。李愬只说：“部队往东行进。”雪在不停地下着。黄昏时候，李愬部队开到离蔡州城70里的张柴村，把守卫在这里的敌军和看管烽火台的士卒全部歼灭，占领了这个村庄。李愬命令士兵稍稍休息一会儿，吃点干粮，检查一下战马的鞍辔，留下500人镇守张柴村，大军继续冒雪东进。将领们越发不放心，问李愬到底向什么地方进军。李愬这才告诉他们：“到蔡州去捉拿吴元济。”将领们听了都很吃惊，可是又不敢不同意，只得服从命令，带领队伍前进。
风越刮越紧，雪越下越大，天气越来越冷。猛烈的北风卷着飞雪，向将士们迎面扑来，他们的脸和手早已麻木，似乎骨头都冻透了。旗帜冻裂了。战马冻得不敢嘶鸣，只能踏着厚厚的积雪艰难地前进。起先，队伍还能挣扎着行军，只是一部分年老体弱的士兵被冻死了。后来，不少年轻力壮的士兵也被冻死，连马匹都冻死了不少。由于风雪严寒，道路生疏，再加上夜间行军，将士们都以为是必死无疑，但是谁也不敢违抗李愬的军令。人们把心一横：“今晚上反正豁出命了，还怕什么！”这样一来，身上反而有劲了，能够坚持行军了。就这样，官军经过异常艰苦的行军，在天亮以前，终于到达蔡州城外。在靠近蔡州城边的地方，有一片养鹅养鸭的池塘，李愬命令士兵们把鹅鸭打得咕呱乱叫，用来混淆人马的声音。
自从吴氏父子割据淮西以来，唐朝官军不到蔡州城下已经有30多年了，谁也没有想到官军竟敢在大雪的夜里进袭蔡州。因此李愬的军队来到蔡州城下，没有被敌人发觉。先锋将领李祐带领少数士兵挖坎爬城，把睡得正熟的守城士卒全部杀死，只留下打更的，叫他照常打更；然后打开城门，让官军大队人马开进了蔡州城。吴元济这时候还在被窝里睡觉。有人向他报告说“官军到了！”吴元济笑道：“准是囚犯们在偷东西，天亮后一定要把他们全部杀掉。”过一会儿，又有人向吴元济报告：“城已经陷落了！”吴元济说：“这一定是洄曲子弟向我来求寒衣呢！”后来他听到官军在传达号令，才慌忙起床，带领随从人员，爬上内城的城墙进行抵抗。李愬命令部队把内城团团围住。蔡州人民长期遭受吴氏父子的掠夺和压迫，十分痛恨吴元济，现在见官军已经攻破外城，包围了内城，都争着背柴担草，帮助焚烧内城的南门。门被烧毁，官军涌入。吴元济绝望了，只好在城上自请处分。李进诚用梯子把他接下来。这是十月十七日的事。第二天，李愬一面用囚车把吴元济押送到京城长安去，一面把胜利收复蔡州的消息派人报告给宰相裴度。
李愬命令士兵把鹅鸭打得咕呱乱叫，用来混淆人马的声音。
吴元济的部将董重质，还带领精锐部队10000多人镇守洄曲。李愬为了争取这部分淮西军归降，亲自到蔡州城内董重质的家中去访问，对董重质的家属进行了抚慰，并且叫董重质的儿子拿着信去劝说他父亲归顺朝廷。董重质读了李愬给他的信，单人匹马来向李愬投降。原来在吴元济控制下的申、光二州守将，听到蔡州被攻破，吴元济被俘获，也先后不战而降。淮西平定了，淮西之战到此胜利结束。十一月，唐宪宗下令把吴元济杀死在长安的独柳树下。
李愬将裴度迎入蔡州，自己领兵回到文城栅。将领们向他请教说：“当初您在朗山打了败仗，一点也不忧虑，反而高兴；在吴房打了胜仗，却不乘胜拿下这个地方；冒着大风雪，连夜急行军，孤军深入敌人巢穴，却毫不畏缩；终于一举攻克蔡州，取得胜利，这是什么道理呢？”李愬解释说：“我们故意在朗山失利，让敌人轻视我们，对我们不多加防备。如果我们拿下吴房，那里的敌人就会逃回蔡州，合力坚守；留着吴房不取，用来分散敌人的兵力，有利于我们袭破蔡州。大风大雪，天气阴晦，敌人看不清报警的烽火，无法知道我军会突然进击。孤军深入，大家懂得处境危急，每个人都会拼死力战，因此有把握取得战争胜利。”
李愬的分析是很有道理的，他能够麻痹敌人，利用天时。但是还有很重要的一点他没有说到，这就是自始至终，李愬成功地实行了优待俘虏和重用降将的政策，从而能够分化瓦解敌人，增强自己的力量，终于一战获得胜利。
淮西平定之后，许多藩镇看到唐朝朝廷有决心有实力讨伐叛乱，就不得不收敛一些，表示服从朝廷。因此往后一段时间里，唐朝政治形势有了改善，出现了相对集中统一的局面，这对人民对社会生产都是有利的。