李佑向李愬进言说：“蔡州的精锐兵马全都被派往洄曲及四周的边境上防御守备，城里只剩一些老弱残兵，可趁蔡州城防备空虚，出奇兵直夺其老巢。及至敌军将领得知，吴元济已经就擒。”李愬认为此计很好。冬季，十月，李愬派掌书记郑澥挟秘函到郾城，把事情禀报给裴度。裴度说：“兵贵计谋，出奇兵方可制胜，不妨采纳李佑之计。”
十月中旬，李愬按预定计划令马步都虞候、随州刺史史雯留守文城栅，令李佑、李忠义率突将三千人为先锋，自己和监军率三千人为中军，李进诚统领三千人为接应，一齐出发。大家不知到哪里去，李愬并不说明，只告诉大家：“只管向东走。”走了六十里，天色黑下来。附近有个张柴村，官军以迅雷不及掩耳之势奇袭守军，并将敌全歼，然后在这里稍作休息。同时布置丁士良带五百人破坏通往洄曲和各条要道的桥梁，义成军五百人留守张柴村，以切断路朗山援军之路，大队人马则乘夜出发，继续前进。将领们请示到哪里去，李愬说：“直奔蔡州城，生擒吴元济。”大家大惊失色，胆小的监军竟然哭道：“果真中了李佑的奸计！”这时风雪弥漫，旌旗撕裂，冻死的士兵和军马沿途随处可见。大家心情紧张地急行军，大约走了七十里来到蔡州城下。风雪更猛了，近城处有个鹅鸭池，士兵们遂借鹅鸭叫声掩其行动的声响。
自从吴少诚抗拒朝命，官军不到蔡州城下已经有三十余年，因此蔡州守军并无防守准备。十六日四更时，李愬来到蔡州城下，敌军全然不知。李愬和李忠义用锄头在城墙上掘出坑坎，率先登城，强壮的士兵便跟随在他们身后，蔡州守城兵士还在梦里就被他们一一斩杀，只将巡夜打更的人留了下来，让他们依旧时打更。接着，李愬等人打开城门，让大家进去。进城后依样行事，使城中人都不知官军已到。鸡叫时，雪停，这时李愬已经进入吴元济的外宅。有人向吴元济报告说：“官军到啦！”吴元济还躺着，笑说：“不必大惊小怪，无非是几个毛贼罢了，天亮再说罢。”又有前来报告的人说：“州城陷落啦！”吴元济说：“这必定是洄曲的后生们到我这里来索要寒衣的。”这时，他突然听到外面杀声大起，并传来号令：
“常侍传话。”响应号令的有将近一万人。吴元济害怕地说：“这个人竟敢来此，也太大胆了吧。”于是，吴元济率领亲信，登上牙城，抵御官军。
当时，董重质拥精锐兵马一万余人，占据着洄曲。李愬说：“吴元济现在唯一的希望就剩下董重质了。”于是，李愬于是遍寻到董家后人，并安抚他们，派遣他的儿子董传道带着书信前去规劝董重质，最后董重质前来投诚。
李愬派遣李进诚攻打牙城，毁掉牙城的外门，占领兵械库，尽得其军器。
十七日，李进诚再度攻打牙城，火烧牙城的南门，百姓争相背来柴草帮助官军。
到申时，城门毁坏了，吴元济下城投降，被李进诚用梯子接了下来。两天以后，李愬命人把吴元济押往京城，并且向裴度作了报告。这一天，申、光二州以及各城镇军两万多人相继前来归降。
十一月，宪宗亲临兴安门接受献俘，以吴元济人头祭献于庙神之前。
由于战功，李愬被封为凉国公、山南东道节度使，李光颜等都得到升迁，李佑也被任命为神武将军，统领军队。
十二月，朝廷贬淮西降将董重质为春州司户。董重质是吴元济的谋主，曾屡破官军，又曾阻止吴元济投降。宪宗本欲杀之而后快，但因李愬曾许重质以不死，所以他只被贬官。宪宗还想惩治其他降将，就封一柄上方宝剑要下面执行。
幸而裴度未按圣意滥杀无辜，才使相当多的人得以活命。
宪宗讨淄青
在宪宗忙于征讨吴元济之时，淄青节度使李师道又叛。
当时，淄青节度使李师古有一个异母兄弟，名叫李师道，时常遭受冷落，被斥逐在外地，不免贫困。李师古私下里告诉亲近的人说：“并非我狠心。只是我想让他先在下层多吃点苦，以劳其筋骨，苦其心智，然后再委以重任。我想诸位也应该有所不知吧。”及至李师古病情危笃时，李师道那时正在代理密州事务，但他不喜政务，只喜爱绘画和吹奏胡人的葭管。李师古对判官高沐和李公度说：
“二位认为谁可以继承我的事业当主帅呢？”二人互视片刻都沉默不语。李师古说：“难道不是李师道吗？由人们的常情说来，谁会不让自己兄弟继位而便宜外人？可是如果主帅不论贤为用，那军队、政务都会荒废的。李师道是公侯家族的后人，却不致力于训练军队，治理百姓，而专门研究一些微末之技，还自以为是，他担当主帅果真能胜任吗？我希望各位还是多考虑一下吧。”元和元年（公元806年），李师古逝去。高沐和李公度隐秘其事，暗中从密州迎接李师道，拥戴他担当节度副使。
李师道总揽军中事务后，过了许久，朝廷的任命还没有到来。李师道和将佐们商讨对策，有人提出从四邻掠夺士兵、钱粮以自足，而高沐则建议说应当向朝廷上表请职，并履行应尽义务。杜黄裳请求趁着李师道没有安定下来的时机，将平卢分而治之，而宪宗顾及刘辟之乱尚未平定，初九，暂且任命李师道为平卢留后、知郓州事。十月，正式任命他为节度使。
元和十年（815年），吴元济反叛。李师道暗中与他勾结，以助官军讨逆为名，派三千人马往赴寿春，接应吴元济。由于时机不成熟，他没敢草率行事。他先指使人烧河阴漕院的钱粮，计钱帛三十万缗匹，谷二万余斛，仓百余区，又派人谋杀宰相武元衡以阻止其进谏讨藩。八月，李师道在东都洛阳设置别邸，人来人往十分热闹。这时淮西军与官兵在洛阳以东激战正酣，官军主力不在洛阳而在伊阙。李师道以别邸为基地，收纳亡命徒近百人，打算焚烧洛阳宫殿，制造混乱，然后纵兵杀掠。临行前，李师道饷赏三军，其部下中有一个人向东都留守吕元膺告了密。吕元膺急忙召回伊阙兵回洛阳，包围了师道别邸。但眼看着李师道军突围，伊阙兵却不敢上去和他们作战。这伙人从长夏门逃出入山，使洛阳百姓十分震恐。
东都洛阳西南面和邓州、虢州接壤，皆是高山深林，当地居民无法从事耕种，只能以打猎为生，人人练就好身体，被称为“山棚”。当时，吕元膺悬赏重金抓捕贼人。过了几天，有一“山棚”正在卖鹿，贼人遇到了他，将鹿夺走了。“山棚”立刻报官，并和同伴一起，在官兵的支援下将贼人捉获。经过审讯核实，找出了他们的首领，却是中岳寺的僧人圆净。圆净曾是史思明旧部，勇猛强悍，超过常人。他向李师道献计，在伊阙、陆浑两地之间多购买田地，让“山棚”得田而耕，并供其所需，使他们安居下来。有訾嘉珍和门察两人，暗自带手下人投奔圆净。圆净用李师道拨发的一千万钱，装作修治佛光寺，纠集同谋暗中设计，邀结并命令訾嘉珍等人在洛阳城中暗中起事，圆净在山上举火为号，集合伊阙、陆浑两县的“山棚”前往洛阳城中援助他们。当时，圆净已年过八十，捉拿敌人的官兵得到圆净后，用锤子猛打他的小腿，都打不断，圆净骂着说：“笨蛋，枉为堂堂男子汉，连我的腿都打不断。”于是，他自己将小腿安放好，教那位官兵打断了它。到受刑时，圆净叹着说：“丈夫死则死矣，可惜无法血洗洛阳了。”被处死的圆净的党羽共有数千人，留守、防御使的将领二人以及驿站的士兵八人，都受李师道派遣，为圆净刺探消息。
吕元膺经过审讯，还证实了杀害武元衡的谋主正是李师道。元膺遂押证人入京师，并呈上一封密函。但这时朝廷正在讨王承宗，对武元衡之死的案件根本无暇过问。吕元膺上言：“如今藩镇日渐壮大，且不理朝廷，现在甚至屠杀洛阳，万不能再姑息了。”无奈终是书生发议论。
十一月，李师道派兵攻打徐州，虽在萧县、沛县等处打了几个胜仗，却被武宁节度使李愿委都押牙王智兴击败。十二月，王智兴再破李师道，斩杀敌军两千多人。
元和十一年（816年）十一月，官军讨吴元济颇有进展。李师道见形势不利，转向朝廷表示顺服。宪宗不愿两线作战，就答应了李师道和解请求，还加封他为检校司空。
李师道想知道吴元济虚实，就于元和十二年（817年）派牙前虞候刘晏平前去淮西察看形势。吴元济想笼络刘晏平，就日日请他喝酒。刘晏平见蔡州在战事这么吃紧的时候还轻歌曼舞，毫无忧患的气氛，就知淮西不久必败，回来以后如实作了报告。李师道不愿相信刘晏平带来的坏消息，因此对他非常讨厌。不久，竟找一个借口杖杀了刘晏平。
当初，李师道谋划叛逆时，判官高沐及同僚郭胪、李公度曾冒死阻谏说万万不可。判官李文会与孔目官林英是李师道的亲信，他们哭泣着向李师道进言说：
“我等拼死效命，却不及高沐等人功高。你应该为自己打算，不要让高沐这等小人算计了去。”自此，李师道便疏远了高沐等人，还把高沐赶到莱州掌管事务。