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。其主力进驻距蔡州仅65里的文城栅，建立了接近蔡州的奇袭基地。
雪夜入蔡州
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，叛军放松警戒，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。
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。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 （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。
吴元济被抓获后，李愬没有杀一个人，那些给吴元济管事带兵和管理膳食马匹的人，他都恢复了他们的职务，让他们安心 。十一月初三，宪宗下诏任命他为检校尚书左仆射，兼任襄州刺史，山南东道节度，襄、邓、随、唐、复、郢、均、房等州观察等使，上柱国，封爵凉国公 ，食邑三千户，实封五百户，一个儿子封五品正员官。
此战后，郑澥专门撰写了《凉国公平蔡录》一卷 。唐宪宗特命韩愈撰写一篇《平淮西奉敕撰》，歌颂这次大捷，并在蔡州汝南城北门外刻石立碑。由于碑文甚少提到李愬的事迹，李愬心中感到不平，其妻韦氏也频频为此申诉。李愬部下石孝忠“作力推去其碑，仅倾移者再三”，将《平淮西碑》砸毁 ，官兵来抓人时，石孝忠还把人打死，事情闹到了宪宗那里。宪宗于是又命翰林大学士段文昌重新写平淮西战争的经历。
再平师道
唐宪宗想要收复陇右过去的国土，元和十三年（818年）五月，任命李愬为凤翔、陇右节度使，诏书要求他从京城经过。他还没上路，适逢平卢节度使李师道再次反叛，宪宗下诏田弘正（魏博军）、义成、宣武等军征讨李师道，并于此前的七月调他任徐州刺史、武宁军节度使 ，接替其兄李愿。兄弟俩交换凤翔和徐州两处节镇，他十天以内接连担任父兄的职务。他到了徐州，治军有计谋策略。当时董重质被贬为春州司户，他上奏请求宽恕董重质并赐给他，以便在军中任用，皇帝立即下诏书把董重质征调回来派到武宁军，他任命为牙将 。李愬与叛军连战十一次，俘获叛军将领五十名，俘杀叛军上万名，并攻克平卢重镇金乡。 元和十四年（819年）正月壬辰日，李愬又攻陷鱼台。 二月，又败平卢兵于沂州，攻陷丞县。 不久，都知兵马使刘悟擒斩李师道，叛乱平息。
改镇魏博
此后，朝廷又准备征讨燕、赵。于元和十五年（820年）九月，朝廷任命李愬为检校左仆射、同中书门下平章事、潞州大都督府长史、昭义节度使 ，赐给他兴宁里宅院一处。十月，王承宗去世，魏博节度使田弘正移镇镇州。李愬到潞州后又被改任魏州大都督府长史、魏博节度使。
返京逝世
长庆元年（821年），幽州、镇州又发生了叛乱，田弘正遇害。李愬听说后，身着素服对全军发令说：“魏博人民之所以富裕人多而且能服从皇帝管辖，是田公治理得好。皇帝因为他仁德又爱护人民，派他去治理镇州。田公是从魏博去的，治军七年，镇州军人一时胡来，就敢于这样残害，他们认为魏博没有勇士了吗？你们的父亲哥哥儿子们受田公恩惠的，应怎样报答呢？”众人都痛哭。他又将玉带、宝剑交给牛元翼，并派使者对他说：“我父亲曾用这把宝剑立下大功，我又用这把宝剑讨平了蔡州叛贼，现镇州人叛乱，您也用这把宝剑讨平他们。”牛元翼接受命令后感情激动，就用这宝剑和玉带在军中动员，并禀报他说：“愿率军听令，竭尽我的所有力量。”正准备出兵，碰上李愬疾病发作，不能处理军务，兵将违反军纪，于是没能建功。 穆宗派田弘正之子田布接替他，任命他为太子少保，回到了洛阳。同年十月，李愬在洛阳去世，享年四十九岁。穆宗听说后非常悲痛，命助丧财物增加一等，追赠太尉，谥号武。
历史评价
高钺：李愬勋臣节将。
白居易：在建中岁，泚贼叛逆，惟太师晟实仗大顺，剪而诛之；在元和朝，蔡寇充斥，惟尔愬实奋奇策，虏而戮之。父子之功，书於甲令，俱为第一，焯（阙）当时。矧尔一登将坛，六换（阙）钺，坐论岩廊之道，卧理保傅之事，方深倚望，奄忽沦谢。是用当食累叹，视朝三辍，岂不以爪牙之威缺於外，股肱之痛轸於中者乎？
李纯：宗臣之允，王国克生，毅勇蓄深，温良煦外。《礼》、《乐》战攻之器，默识其源；《诗》、《书》义理之府，洞窥其室。虽早升朝序，而未展将材。顷以悬弧滔天，宿兵既久，方城压境，易帅颇频，永怀韬略之家，必有弓裘之嗣。将执金鼓，载持干旄，果副眷求，克扬威令。缉伤夷之後，振怯为雄；制密迩之间，保危成固。推忠厚以感物，本信惠而和人，一其斫心，励厥死力，乘虚径袭，负雪兼行。风驱如合於百神，雷发若出於九地，坚城立溃，狡竖坐擒。遗甿安堵以知归，馀党释甲而请命，古之良将，其孰过焉？ …
