甲寅日，李愬准备攻打吴房县，将领们说：“今天是往亡日，不宜出兵。”李愬说：“我们兵力不足，难以与叛军正面交锋，就应该采取出其不意的战术。叛军认为今天是往亡日，不会防备我们，这正是出兵攻打他们的好时机。”于是率军出征，攻克了吴房县的外城，斩杀一千多名叛军。剩下的叛军退守内城，不敢出战。李愬率领军队撤退，引诱叛军追击，淮西将领孙献忠果然率领五百精锐骑兵从背后追来。官军士兵惊慌失措，想要逃走，李愬跳下马坐在胡床上，下令说：“敢后退的人斩首！”随即率领军队掉头奋力作战，孙献忠被斩杀，淮西叛军这才撤退。有人劝说李愬乘胜攻打内城，认为一定能够攻克，李愬说：“这不是我的计策。”于是率领军队返回营寨。
李佑向李愬进言：“蔡州的精锐部队都驻守在洄曲以及边境各处，守卫蔡州城的都是老弱残兵，我们可以趁虚而入，直接抵达蔡州城下。等叛贼的将领们得到消息，吴元济早就已经被我们擒获了。”李愬认为他说得很对。冬季十月甲子日，李愬派遣掌书记郑澥前往郾城，秘密禀报裴度。裴度说：“用兵打仗，不出奇兵就不能取胜，常侍的计策好得很。”
宪宗最终还是任命张宿为谏议大夫，崔群、王涯坚决劝谏，宪宗没有听从。两人于是请求任命张宿为权知谏议大夫，宪宗才答应了。张宿从此怨恨执政大臣和当时品行端正的人士，与皇甫镈内外勾结，诬陷排挤这些人。
裴度率领幕僚部属前往沱口视察修筑营垒的工程，董重质率领骑兵从五沟出兵，半路拦击他们，叛军大声呼喊着冲杀过来，拉满弓弩、手持利刃，眼看就要逼近裴度。李光颜与田布奋力拼杀，抵挡叛军，裴度才得以勉强进入沱口城中。叛军撤退时，田布扼守住他们在五沟的退路。叛军士兵只好下马蹚过壕沟，不少人失足坠落，被后面的人踩踏而死的有一千多人。
辛未日，李愬命令马步都虞候、随州刺史史旻等人留守文城栅，又命李佑、李忠义率领三千名突将作为前锋，自己与监军率领三千人担任中军，派李进诚率领三千人殿后。军队出发后，没人知道要去哪里。李愬只说：“只管往东走。”大军行进六十里，到了夜里，抵达张柴村，将村里的叛军守兵和烽火台的哨兵全部斩杀。占领营栅后，李愬让士兵稍作休整，吃些干粮，整理好马具，留下五百名义成军驻守此地，用来切断朗山方向的叛军援军。又命丁士良率领五百人去切断洄曲与各条道路的桥梁，随后再次在夜里领兵出发。将领们追问进军目的地，李愬才说：“攻入蔡州，捉拿吴元济！”众将听后全都大惊失色。监军哭着说：“果然中了李佑的奸计！”
当时正刮着大风，下着大雪，军旗都被撕裂，路上冻死的人马随处可见。天色阴黑，从张柴村往东的道路，都是官军从未走过的，人人都觉得此行必死无疑，但因为畏惧李愬，没人敢违抗命令。到了半夜，雪下得更大了，大军又行进了七十里，终于抵达蔡州城下。靠近城池的地方有一处鹅鸭池，李愬下令驱赶鹅鸭制造声响，用来掩盖军队行进的动静。自从吴少诚抗拒朝廷命令以来，官军有三十多年没有到过蔡州城下，所以蔡州的守军毫无防备。
壬申日，四更时分，李愬率军抵达城下，城里没有一个人察觉。李愬、李忠义在城墙上挖出一个个坑洞，率先踩着坑洞爬上城头，身强力壮的士兵紧随其后。守城的士兵还在熟睡，被全部斩杀，只留下打更的人，让他像往常一样敲梆子报时，接着打开城门，放进大军。攻入里城时，也采用了同样的办法，整个蔡州城都没有发觉官军已经进城。
天亮鸡鸣时，大雪停了，李愬已经进驻吴元济的外宅。有人向吴元济报告：“官军杀进城了！”吴元济还在睡觉，笑着说：“不过是那些被俘的囚犯在作乱罢了！天亮后就把他们全部处死。”又有人来报告：“城池已经陷落了！”吴元济说：“这一定是洄曲的守军来找我要过冬的棉衣。”他起床后，走到庭院里倾听动静，听见李愬的军队传令喊道：“常侍有令！”应声的人将近一万，吴元济这才开始害怕，说：“是什么样的常侍，能做到这个地步！”于是率领亲信登上牙城抵抗。
当时董重质正率领一万多名精锐士兵驻守洄曲。李愬说：“吴元济所指望的，就是董重质的救援。”于是派人寻访到董重质的家，优厚地安抚他的家人，又派董重质的儿子董传道带着书信去晓谕董重质。董重质随即单人匹马前往李愬的军营投降。
李愬派遣李进诚攻打牙城，攻破牙城的外门，占领了兵器库，缴获了里面的武器军械。癸酉日，官军再次发起进攻，火烧牙城的南门，蔡州的百姓都争相背着柴草前来相助，城头上箭如雨下。到了傍晚时分，城门被攻破，吴元济在城墙上请罪投降，李进诚搭起梯子，让他从城墙上下来。甲戌日，李愬用囚车将吴元济押送往京城，同时派人向裴度禀报喜讯。当天，申州、光州以及各城镇的叛军两万多人，相继前来投降。
自从吴元济被俘之后，李愬没有杀戮一个人，凡是吴元济手下的官吏、侍卫、厨师和马夫，都恢复了原来的职位，让他们安心，然后自己率领军队驻守在鞠场，等候裴度前来。
朝廷任命淮南节度使李鄘为门下侍郎、同平章事。
己卯日，淮西行营上奏俘获吴元济的消息。光禄少卿杨元卿对宪宗说：“淮西藏有大量珍宝，我知道具体的位置，派人去取一定能得到。”宪宗说：“朕讨伐淮西，是为百姓铲除祸害，珍宝并不是朕想要的东西。”
董重质离开洄曲军营后，李光颜迅速率军进入洄曲的营垒，洄曲的叛军全部投降。庚辰日，裴度派遣马总率先进入蔡州安抚百姓。辛巳日，裴度手持彰义军的符节，率领一万多名投降的叛军士兵进入蔡州城。李愬全副武装，出城迎接，在道路左侧下拜行礼。裴度准备避让，李愬说：“蔡州的人顽固叛逆，不懂得尊卑上下的名分，已经有几十年了。希望您借此机会向他们展示君臣礼节，让他们知道朝廷的威严。”裴度于是接受了他的跪拜。
李愬率军返回文城栅，将领们向他请教：“起初您在朗山战败却毫不忧虑，攻克吴房外城却不乘胜攻取内城，冒着大风大雪却不肯停止进军，孤军深入敌境却毫无畏惧，最后竟然大获全胜，这些都是我们众人无法理解的，冒昧地请问这是什么原因？”
李愬回答说：“朗山战败，叛军就会轻视我军，从而不再设防。如果攻取吴房内城，那里的叛军就会逃到蔡州，合力坚守城池，所以我故意留下吴房，分散他们的兵力。大风大雪、天色昏暗，叛军的烽火无法传递消息，就不会知道我军已经到来。孤军深入敌境，士兵们就都会抱着必死的决心，打起仗来自然会加倍勇猛。办大事的人不必顾虑眼前的小细节，谋划长远的人不必计较一时的小得失。如果贪图小胜利，顾惜小失败，先自己扰乱了军心，哪里还有精力建立大功业呢！”众人听后都心悦诚服。李愬对自己节俭，对待士兵却十分优厚，识别人才就毫不怀疑，发现战机便能当机立断，这就是他能够成功的原因。
裴度将蔡州的降兵编入自己的牙兵，有人劝谏他说：“蔡州心怀二心的人还有很多，不能不防备。”裴度笑着说：“我现在是彰义节度使，首恶吴元济已经被擒获，蔡州的百姓就是我的百姓，又有什么可怀疑的呢！”蔡州的百姓听说后，都感动得流下眼泪。此前吴氏父子拥兵作乱，禁止百姓在路上私下交谈，夜里不许点燃蜡烛，有人相互馈赠酒食往来，就会被判处死罪。裴度到任后，下令只禁止偷盗和斗殴杀人，其余的禁令全部废除，百姓往来不受昼夜的限制，蔡州的百姓这才重新体会到了做人的快乐。
甲申日，宪宗下诏命令韩弘、裴度逐条列出平定蔡州的将士们的功劳，以及蔡州归降的将士名单，按照功劳大小排列等级后上报朝廷。淮西各州县的百姓，免除两年的赋税徭役；邻近淮西的四个州，免除第二年的夏税。官军阵亡的士兵，全部予以收殓安葬，赐给他们的家人五年的衣物粮食；那些因作战而受伤致残的士兵，也不停止供给衣物粮食。
十一月丙戌朔日，宪宗亲临兴安门接受战俘，随后将吴元济押往太庙和太社献祭，接着在独柳之下将他斩首。
当初，淮西的百姓被李希烈、吴少诚的残暴威势胁迫，无法脱身，时间久了，老一辈的人衰老死去，年轻一辈的人安于叛逆的生活，不再知道还有朝廷的存在。从吴少诚掌权以来，派遣各位将领出兵作战，都不用法令制度约束他们，任由他们根据实际情况自行决定战术，所以每个人都能充分发挥自己的才能。韩全义在溵水战败时，官军在他的营帐中搜到朝中权贵写给韩全义的书信，吴少诚将这些书信捆起来展示给众人看，说：“这些都是公卿大臣们嘱咐韩全义的信，信里说攻破蔡州的时候，请求准许他们掠夺将士的妻女做奴婢侍妾。”从此叛军将士都群情激愤，甘愿为叛军拼死效力。淮西虽然地处中原，但当地的风俗粗犷暴戾，超过了蛮夷之地。所以朝廷动用天下的兵力，包围攻打这三个州的叛军，历时四年才将其攻克。
官军攻打吴元济的时候，李师道招募人出使蔡州，探查那里的形势，牙前虞候刘晏平响应招募，从汴州、宋州一带出发，秘密潜入蔡州。吴元济见到他后十分高兴，用丰厚的礼物款待他，然后送他回去。刘晏平回到郓州后，李师道屏退身边的人，向他询问蔡州的情况，刘晏平说：“吴元济在外面部署了数万大军，形势已经危急到这个地步，他却还每天在府里和妻妾侍女们游玩下棋，安然自得，毫无忧虑的神色。依我看，他必定会败亡，而且为时不远了！”李师道一向倚仗淮西作为外援，听了这话又惊又怒，不久就捏造别的罪名，用棍棒将刘晏平打死了。
戊子日，朝廷任命李愬为山南东道节度使，赐爵凉国公；加封韩弘兼任侍中；李光颜、乌重胤等人也各自按照功劳大小，得到了不同程度的升迁。
按照以往的制度，由两名御史掌管驿站事务。壬辰日，宪宗下诏任命宦官担任馆驿使。左补阙裴潾劝谏说：“宦官和朝官的职责，本来就各不相同，关键在于堵塞越权行事的源头，杜绝不守本分的苗头。事情有不妥当的地方，一定要在最初就加以制止；政令有妨碍之处，不一定非要等到造成大的影响才修正。”宪宗没有听从他的劝谏。
甲午日，恩王李连去世。辛丑日，朝廷任命唐州、随州兵马使李佑为神武将军，掌管军中事务。
裴度任命马总为彰义留后。癸丑日，裴度从蔡州出发返回朝廷。宪宗赐给梁守谦两把剑，让他去诛杀吴元济的旧部将领。裴度在郾城遇到梁守谦，便和他一起返回蔡州，根据罪犯的罪行轻重判处刑罚，没有完全按照诏书的旨意行事，随后还上疏向宪宗说明了情况。
十二月壬戌日，宪宗赐给裴度晋国公的爵位，让他重新入朝担任宰相。任命马总为淮西节度使。
当初，吐突承璀正身居高位、深受宠幸，担任淮南监军。李鄘当时是淮南节度使，性情刚毅严厉，和吐突承璀互相敬重忌惮，所以两人从来没有发生过矛盾。吐突承璀回到京城后，便举荐李鄘担任宰相。李鄘以通过宦官得到升迁为耻，等到手下的将官们为他设宴饯行时，音乐响起，李鄘却流下眼泪说：“我年纪大了，安于在外镇守一方，宰相并不是我能胜任的职位啊！”戊寅日，李鄘抵达京城，借口生病，不去朝见宪宗，也不处理政务，百官前来登门拜访，他都推辞不见。
庚辰日，朝廷将淮西的降将董重质贬为春州司户。董重质曾经是吴元济的主要谋士，屡次击败官军。宪宗原本想要处死他，李愬上奏说此前已经许诺过赦免董重质的死罪。
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