數日後，李愬派人來見裴度。李愬自到達唐州後，連戰皆捷，每得降將降卒，都善待他們，親自詢問，因此掌握了吳元濟軍中虛實以及山川險易。李愬又頗具識人之鑑，能從其面部神情以及話語態度中判別是否可信。當他與降將李佑談論後，心中大喜，夜夜密談。李佑提議道“如今蔡藩的精兵強將大部分都聚集到了蔡州北面的洄曲，還有一些在蔡州南部及東部邊境拒守。蔡州守城者多爲老弱之卒，我知道蔡州西面有一條間道可以直達，我們可以乘虛直取吳元濟老巢。”李愬嘆道“妙！”於是李愬與李佑定下計策，派人告訴裴度。裴度極其信任李愬，這次讓李愬來就是他向皇帝提出的，當下對李愬使者說道“兵非出奇不勝，李愬可依計而行。但兵貴神速，要快！”十月十日這天，寒甚。下午，彤雲密佈，北風呼嘯，天空開始飄飄灑灑的下起雪來。李愬走出營帳，掬雪在手，喜道“天時如此有利，奇襲定能成功！”於是李愬命史旻留下來鎮守文城，降將李佑與李忠義領三千精銳爲前鋒，這三千精銳可是李愬自己親自選拔訓練的,足見他對李佑的信任。李愬另率三千人爲中軍，田進誠領三千人殿後。爲了使行動保密，李愬除以上將領外再沒告訴他人，並告誡他們萬萬不可泄露。因此突然下達軍令，兵士都不知道要去哪裡，只聽將領傳命道“一直向東走”。軍行六十里後，時已入夜，唐軍到達張柴村。張柴村戍卒完全不料會有兵士到來，慌張之中被全部殲滅。在此，李愬令軍士稍微休整了一下，飯後留下五百人鎮守，並使他們截斷通往洄曲以及其他方向的橋樑，以防城破後敵人逃走。緊接着下令全軍立即發動。這時很多將領來問李愬軍隊的去向，李愬心想距離蔡州僅有幾十里路了，手下兵士既入死地，退不得退，只有拼力向前，這時已經不需再保密了，便說道“入蔡州，擒吳元濟。”諸將聽後都大驚失色，很多軍士都開始哭泣抱怨，有的說道“果真中了李佑奸計，這回怕是死無葬身之地了。”在李佑初降時，諸將都提防李愬不可待之過於親近，怕是有詐，李愬一無所聽，因此很多將領都對李愬有意見。但此時此地，也唯有聽命而行了。聽着呼嘯的山風，飄落到身上的雪花讓軍士們寒意更甚。軍旗凍斷了好幾杆，旗幟也凍裂了好幾只。風雪愈來愈甚，寒風凜冽徹骨，體弱之士卒與馬匹開始有禁不住寒冷而倒下的，手腳凍僵者更多。而李愬怕天亮之前抵達不了蔡州又下令加快行軍的速度，抱戈僵仆者隨着行軍越來越多。李愬看在眼裡，內心卻仍能鎮定。他自嘆道“用兵實乃艱辛兇險之事。然視遠者不顧近，慮大者不詳細。此次奇襲若成功，犧牲者豈不是要比大軍對陣拼殺少的多嗎？功業之難，豈足爲尋常人所道哉！”自張柴村以東的道路，從來沒有人走過。夜半，雪愈發的大了，平地深數尺。所過之路，陡峭崎嶇之山路爲多，再就是沼澤陂池，險惡非常，不少軍士滑落山崖，陷進池澤。官軍人人以爲即便到達蔡州也是必死，但他們都畏懼李愬軍威，不敢違令，繼續前進。軍行七十里，終於抵達蔡州，天仍晦暗，風雪不止。這時唐兵於路已耗損十之二三。蔡州近城處有一大片鵝鴨池，因吳元濟喜食禽類，在此養了很多鴨鵝。李愬令將士擊打這些鴨鵝，在鴨鵝的叫聲中，行軍的聲音被很好的掩蓋了。唐兵先前鋒部隊已來到城牆外，蔡州守城將士竟仍無一人察覺。他們誰都料不到唐兵會在大雪夜走這條路來到，個個酣睡未醒.此時風漸小，雪依然很大。李祐擡眼望着千朵萬朵雪花洋洋灑灑而下，心說道“男兒能於此時立功，方能不負此生。”於是李祐、李忠義在城牆上鑿坎，攀登而上，率先登上城牆。勁卒隨之而上，盡殺守門士卒，只留擊柝者，使擊柝如故，蔡州城內軍民仍然一無所知。李佑隨後令人大開城門，放兵士入城。黎明時分，雪停，李愬也入了城，止於吳元濟外宅。這時纔有兵士告元濟道："城已陷矣。"元濟尚未醒過神來，毫不驚慌的說道："不過是天冷了，洄曲子弟回來求寒衣罷了。"不久後聽到李愬軍中傳遞號令，軍士應命者有近萬人，聲震數裡。吳元濟這才驚恐萬分："果真有神兵到這裡了？"慌忙率左右兵士登上內城抵抗。田進誠率兵環而攻之，飛箭如雨，城上箭矢密如刺蝟毛。吳元濟此時僅有兵士不到千人，與朝廷討伐大軍對抗近四年，城內糧儲亦用盡。城內居民也助唐兵攻城，很快城破，吳元濟被生擒。敗訊傳到洄曲後，董重質亦帶領部衆而降。
淮西蔡州平定，朝廷也抓獲了刺殺武元衡與擊傷裴度之人，審訊後供出是淄青節度使李師道所派。此時王承宗已知悔懼，上書請罪，書中大致言道“罪臣願以後盡遵朝廷約束，按時向朝廷貢賦。若陛下仍然憤怒，請派人來替我做此節度使，我親自面見聖上，再請聖上治罪。”唐憲宗想討伐王承宗的戰事僵持不下，既然王承宗已知悔改，不妨赦免了他，討伐罪不容誅的李師道纔是要緊之事。唐憲宗派李愬與李光顏、魏博節度使田弘正領大軍討伐李師道。大唐勝兵一路克城斬將，李師道已處於孤立無援的境地，每聞風動鳥飛都驚以爲是唐兵之至，憂懼成疾。最終其部下劉悟領兵反戈，殺掉李師道父子，以鄆州城歸唐，其餘未克城池之後也全部歸正。
淮西蔡藩平定後，羣臣請紀聖功，被之金石。於是唐憲宗令學士韓愈作文曰：“……淮蔡不順，自以爲強，提兵叫誰，欲事故常。始命討之，遂連奸鄰，陰遣刺客，來賊相臣。方戰未利，內驚京師；羣公上言，莫若惠來。帝爲不聞，與神爲謀，乃相同德，以訖天誅。
乃敕顏、胤、恕、武、古、通，鹹統於弘，各奏汝功。三方分攻，五萬其師，大軍北乘，厥數倍之。常兵時曲，軍士蠢蠢，既翦陵雲，蔡卒大窘。勝之邵陵，郾城來降，自夏入秋，復屯相望。兵頓不勵，告功不時，帝哀征夫，命相往釐。士飽而歌，馬騰於槽，試之新城，賊遇敗逃。盡抽其有，聚以防我，西師躍入，道無留者。額額察城，其疆千里，既入而有，莫不順俟。……
既定淮蔡，四夷畢來；遂開明堂，坐以治之。”之後在蔡州立碑並將此文刻於碑上。
自淮西，淄青兩藩鎮被平後，其餘藩鎮驚悚知懼，束手聽命。自此飛揚跋扈三十餘州近六十年的藩鎮開始盡遵朝廷約束，按時上貢，官吏變更再不自己做主，聽朝廷之令。大唐號令得以再次行於天下。
然而唐憲宗之世，討伐藩鎮廣調天下之兵，國儲幾乎用盡，國力大衰，百姓也苦於稅收轉運之苦。在唐憲宗死後，各藩鎮又漸漸的跋扈起來，歷代天子無力討伐，繼續採取縱容政策，直至黃巢起義天下大亂。