最后，为扫除外围，孤立蔡州，建立接近蔡州的奇袭基地，李愬先后出兵攻取蔡州以西和西北的文城栅、马鞍山、路口栅、嵖岈山、冶炉城和西平等据点，与北线郾城一带的唐军兵势相接，连成一气 。他还遣将攻克蔡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 。李愬军的主力进驻距蔡州仅65公里的文城栅 。
九月，李祐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，派人将奇袭计划密呈裴度 。裴度十分赞赏，同意出兵 。
十月初十，李愬利用风雪交加，敌军放松警戒，利于奇袭的天气，命史旻留镇文城，命李祐等率训练有素的敢死队3000人为前锋，自己与监军将3000人为中军，命李进城率3000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30公里后，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500人守城栅，防备朗山方向之敌，另以500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35公里，终于抵达蔡州 。
近城处有鸡鸭池，李愬令士卒击鸡鸭以掩盖行军声 。自从吴少诚抗拒朝命，唐军已有30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 。四更时，李愬军到达蔡州城下，守城者仍未发觉 。李祐、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 。李祐等既已得手，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，急告吴元济说，官军来了 。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 。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，才有惧意，率左右登牙城抗拒 。
李愬入城后，一面派人进攻牙城，一面厚抚董重质的家属，遣其子前往招降 。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 。
十二日，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，城门坏，吴元济投降 。申、光二州及诸镇兵2万余人亦相继降唐，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;他见可能断，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 。
淮西平定后，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(治今河北景县东北)二州 。幽州(今北京)镇刘总上表请归顺 。成德镇亦上表求自新，献德、棣(治今山东惠民东南)二州，并请朝廷任命其余诸州录事以下官吏 。王承宗病死后，其弟王承元上表归降 。朝廷又挟平定淮西之声威，讨平淄青李师道，收复淄(治今山东淄博南)、青(今山东青州)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 。