州以南和西南的白狗、汶港和楚城诸城栅，切断了蔡州与申、光二州的联系，其主力进驻距蔡州仅六十五里的文城栅，建立了接近蔡州的奇袭基地。李佑见奇袭的条件已经成熟，向李愬进言说，淮西精兵都在洄曲和边境，守卫蔡州的全是老弱，可以乘虚直捣其城，出其不意，一举擒吴元济。李愬深以为然，派人赴郾城将奇袭计划密呈裴度，裴度十分赞赏，同意出兵。
风雪交加，叛军放松警戒，李愬利用了这有利于奇袭的天气，命史旻留镇文城，命李佑等率训练有素的敢死队三千人为前锋，自己与监军将三千人为中军，命李进城率三千人殿后。军队的行动十分秘密，除个别将领外，全军上下均不知行军的目的地和部队的任务。李愬只下令说向东，东行三十里后，唐军在夜间抵达张柴村，乘守军不备，全歼包括负责烽燧报警士卒在内的守军。待全军稍事休整和进食后，李愬留五百人守城栅，防备朗山方向之敌，另以五百人切断通往洄曲和其他方向的桥梁，并下令全军立即开拔。
诸将问军队开往何处，李愬才宣布说，入蔡州直取吴元济。诸将闻说皆大惊失色，但军令如山，众将只得率部向东南方向急进。此时夜深天寒，风雪大作，旌旗为之破裂，人马冻死者相望于道。张柴村以东的道路，唐军无人认识，人人自以为必死无疑，但众人都畏惧李愬，无人敢于违令，夜半，雪愈下愈大，唐军强行军三十五里，终于抵达蔡州。接近蔡州城墙的地方，有一处鸡鸭池，李愬令士卒惊扰鸡、鸭，以掩盖行军之声。
自从吴少诚抗拒朝命，唐军已有三十余年未到蔡州城下，所以蔡州人毫无戒备，未发现唐军的行动。李愬军到达蔡州城下，守城者仍未发觉，李佑、李忠义在城墙上掘土为坎，身先士卒，登上外城城头，杀死熟睡中的守门士卒，只留下巡夜者，让他们照常击柝报更，以免惊动敌人。李佑等既已得手，便打开城门，迎纳大唐军。接着，又依法袭取内城，鸡鸣时分，雪渐止，李愬进至吴元济外宅。这时，有人觉察情形有异，急告吴元济官军来临，吴元济高卧未起，笑着回答说：“俘囚作乱，天亮后当杀尽这些家伙。”接着，又有人报告说：“城已陷。”吴元济仍漫不经心地说：“这一定是洄曲守军的子弟向我索求寒衣。”起床后，吴元济听到唐军传令，响应者近万人，才感到恐惧，率左右亲随登上牙城抗拒。
李愬入城后，一面派人进攻牙城，一面厚抚在洄曲的淮西大将董重质的家属，并遣董重质之子前往招降。董重质单骑至李愬军前投降，吴元济丧失了洄曲守军回援的希望。唐军再次攻打牙城，蔡州百姓争先恐后地负柴草助唐军焚烧牙城南门。黄昏时分，城门毁坏，吴元济投降，申、光二州及诸镇兵二万余人亦相继降唐，淮西遂平。
李愬奇袭的成功并非出于偶然，就主观而言，李愬治军有方，奉己俭约，待将士丰厚，能得士心；又明于知人，敢于重用降将，能得敌情；他见机能断，敢于抓住蔡州空虚的时机，实施奇袭；又长于谋略，善于麻痹敌方，瓦解其民心和士气。这些，都使他能利用风雪阴晦，烽火不接的天气，孤军深入，置全军于死地而后取得奇袭的胜利。从客观来说，唐宪宗和裴度始终未改其平定淮西的决心，又能集中力量对吴元济用兵，甚至撤去监阵中使，而北线唐军则牵制、吸引了淮西的主力，这都为奇袭的胜利创造了有利的条件。
李愬平定淮西后，各藩镇恐惧不安：横海节度使程权奏请入朝为官，朝廷收复沧、景二州；卢龙镇刘总上表请归顺；成德镇亦上表求自新，献德、棣二州，并请朝廷任命其余诸州录事以下官吏。后来，成德军节度使王承宗病死，其弟王承元上表归降。朝廷又挟平定淮西之声威，收复淄、青等十二州，藩镇割据的局面因之暂告结束，唐朝又恢复了统一。
吴元济被抓获后，李愬不滥杀一人，那些给