唐军先锋部队抵达高邮，徐敬业统率精兵凭借下阿溪固守，双方再次形成对峙，李孝逸遂派后军总管苏孝祥率兵五千人，以小舟乘夜渡过溪水，向叛军发起进攻。但由于徐敬业早有防备，苏孝祥兵败战死，士卒涉水时淹死过半，左豹韬卫果毅成三郎遭徐敬业俘虏。叛军左长史唐之奇为了鼓舞叛军士气，指着成三郎对士兵说：“这就是李孝逸！”准备将他斩首，成三郎大喊说：“我是果毅成三郎，不是李将军，官军已大批到达，你们覆亡就在眼前。我死后，妻子儿女蒙受荣耀，你们死后，妻子儿女被籍没为奴婢，你们最终不如我。”戳穿唐之奇的谎言，也大灭叛军的锐气，成三郎则遭叛军斩首。
不久，李孝逸所率唐军主力抵达下阿溪北，由于叛军占据有利地势，唐军多次交战均遭失利。李孝逸这时恐惧不已，打算撤退。监军魏元忠和行军管记刘知柔再次劝说李孝逸坚定平叛信心，并献计：顺风纵火，进行决战。李孝逸接受二人的建议，率领唐军全线出击，并顺风发起火攻，焚烧叛军营寨。徐敬业军因布阵已久，士卒多疲倦观望，战阵不能整肃。李孝逸进击，乘风纵火，大败徐敬业大败，斩首七千人，溺死者更是不可胜数。徐敬业等轻装骑马逃入江都，带着妻子儿女投奔润州，准备从海路逃往高句丽。李孝逸得胜之后，不给叛军以喘吸之机，迅速进兵屯驻江都，分别派遣各将领追击徐敬业。徐敬业率领残部行至海曲地界，正欲乘船出海，但受大风所阻，无法出海。在危急时刻，其部将王那相斩下徐敬业、徐敬猷和骆宾王的首级，向唐军投降。余党唐之奇、魏思温等均遭擒获斩首，李孝逸继而进据扬州，至此扬、润、楚三州全部平定。回京后，李孝逸因战功卓着，升任镇军大将军，改任左豹韬卫大将军，改封吴国公。
李孝逸平时就很有名望，自平定徐敬业的叛乱后，更是声望甚重，因此遭到武则天侄子武承嗣等人的深深忌恨，多次在武则天面前进谗言诋毁他。加上李孝逸本是唐朝宗室，所以武则天对李孝逸逐渐失去信任。武则天将李孝逸降职为施州刺史，武承嗣又指使人诬告李孝逸在益州时，曾自解其名字中的“逸”字，说：“逸字中有兔，兔是月亮中的东西，当会有作天子的名分。”武则天念李孝逸住日有功于已，减免他的死罪，削除名籍，流放到儋州。
李孝逸到儋州不久，便含恨而死，唐睿宗复位后，追赠李孝逸为益州大都督。
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