淮北的冬天來得比較早，十月中旬就已經很冷。連日來天空中濃雲密布，十月十五日清早，朔風驟起，接著紛紛揚揚地下起大雪來。李愬走出營門一看，認為奇襲蔡州的時機到了。他立刻傳令李祐帶領突擊隊3000人作先鋒，他自己帶領3000人為中軍，部將李進誠帶領3000人擔任後衛，自文城柵出發。部將們不知道要向哪裡進軍。李愬只說：「部隊往東行進。」雪在不停地下著。黃昏時候，李愬部隊開到離蔡州城70里的張柴村，把守衛在這裡的敵軍和看管烽火台的士卒全部殲滅，佔領了這個村莊。李愬命令士兵稍稍休息一會兒，吃點乾糧，檢查一下戰馬的鞍轡，留下500人鎮守張柴村，大軍繼續冒雪東進。將領們越發不放心，問李愬到底向什麼地方進軍。李愬這才告訴他們：「到蔡州去捉拿吳元濟。」將領們聽了都很吃驚，可是又不敢不同意，只得服從命令，帶領隊伍前進。
風越刮越緊，雪越下越大，天氣越來越冷。猛烈的北風卷著飛雪，向將士們迎面撲來，他們的臉和手早已麻木，似乎骨頭都凍透了。旗幟凍裂了。戰馬凍得不敢嘶鳴，只能踏著厚厚的積雪艱難地前進。起先，隊伍還能掙扎著行軍，只是一部分年老體弱的士兵被凍死了。後來，不少年輕力壯的士兵也被凍死，連馬匹都凍死了不少。由於風雪嚴寒，道路生疏，再加上夜間行軍，將士們都以為是必死無疑，但是誰也不敢違抗李愬的軍令。人們把心一橫：「今晚上反正豁出命了，還怕什麼！」這樣一來，身上反而有勁了，能夠堅持行軍了。就這樣，官軍經過異常艱苦的行軍，在天亮以前，終於到達蔡州城外。在靠近蔡州城邊的地方，有一片養鵝養鴨的池塘，李愬命令士兵們把鵝鴨打得咕呱亂叫，用來混淆人馬的聲音。
自從吳氏父子割據淮西以來，唐朝官軍不到蔡州城下已經有30多年了，誰也沒有想到官軍竟敢在大雪的夜裡進襲蔡州。因此李愬的軍隊來到蔡州城下，沒有被敵人發覺。先鋒將領李祐帶領少數士兵挖坎爬城，把睡得正熟的守城士卒全部殺死，只留下打更的，叫他照常打更；然後打開城門，讓官軍大隊人馬開進了蔡州城。吳元濟這時候還在被窩裡睡覺。有人向他報告說「官軍到了！」吳元濟笑道：「準是囚犯們在偷東西，天亮後一定要把他們全部殺掉。」過一會兒，又有人向吳元濟報告：「城已經陷落了！」吳元濟說：「這一定是洄曲子弟向我來求寒衣呢！」後來他聽到官軍在傳達號令，才慌忙起床，帶領隨從人員，爬上內城的城牆進行抵抗。李愬命令部隊把內城團團圍住。蔡州人民長期遭受吳氏父子的掠奪和壓迫，十分痛恨吳元濟，現在見官軍已經攻破外城，包圍了內城，都爭著背柴擔草，幫助焚燒內城的南門。門被燒毀，官軍湧入。吳元濟絕望了，只好在城上自請處分。李進誠用梯子把他接下來。這是十月十七日的事。第二天，李愬一面用囚車把吳元濟押送到京城長安去，一面把勝利收復蔡州的消息派人報告給宰相裴度。
吳元濟的部將董重質，還帶領精銳部隊10000多人鎮守洄曲。李愬為了爭取這部分淮西軍歸降，親自到蔡州城內董重質的家中去訪問，對董重質的家屬進行了撫慰，並且叫董重質的兒子拿著信去勸說他父親歸順朝廷。董重質讀了李愬給他的信，單人匹馬來向李愬投降。原來在吳元濟控制下的申、光二州守將，聽到蔡州被攻破，吳元濟被俘獲，也先後不戰而降。淮西平定了，淮西之戰到此勝利結束。十一月，唐憲宗下令把吳元濟殺死在長安的獨柳樹下。
李愬將裴度迎入蔡州，自己領兵回到文城柵。將領們向他請教說：「當初您在朗山打了敗仗，一點也不憂慮，反而高興；在吳房打了勝仗，卻不乘勝拿下這個地方；冒著大風雪，連夜急行軍，孤軍深入敵人巢穴，卻毫不畏縮；終於一舉攻克蔡州，取得勝利，這是什麼道理呢？」李愬解釋說：「我們故意在朗山失利，讓敵人輕視我們，對我們不多加防備。如果我們拿下吳房，那裡的敵人就會逃回蔡州，合力堅守；留著吳房不取，用來分散敵人的兵力，有利於我們襲破蔡州。大風大雪，天氣陰晦，敵人看不清報警的烽火，無法知道我軍會突然進擊。孤軍深入，大家懂得處境危急，每個人都會拚死力戰，因此有把握取得戰爭勝利。」
李愬的分析是很有道理的，他能夠麻痹敵人，利用天時。但是還有很重要的一點他沒有說到，這就是自始至終，李愬成功地實行了優待俘虜和重用降將的政策，從而能夠分化瓦解敵人，增強自己的力量，終於一戰獲得勝利。
淮西平定之後，許多藩鎮看到唐朝朝廷有決心有實力討伐叛亂，就不得不收斂一些，表示服從朝廷。因此往後一段時間裡，唐朝政治形勢有了改善，出現了相對集中統一的局面，這對人民對社會生產都是有利的。