李光颜、乌重胤诸将屡奏捷报，但唐军征讨淮西四年，朝廷难以支付粮饷，而诸将彼此观望，轻忽剿寇，收获甚微，宪宗也以此为忧。宰相李逢吉、王涯等人以劳损军力、耗费财赋为由，劝阻宪宗罢兵。裴度在旁缄默不语，宪宗向他征询意见，裴度回答：“臣请求亲自督战。”次日，在延英殿重议此事，待李逢吉等出殿后，宪宗单独留下裴度，对他说：“卿确能替朕出巡吗？”裴度匍伏流泪说：“臣与此贼誓不两全！”宪宗也为之动容。裴度又进言说：“臣日前看到吴元济的乞降表，料想这个逆贼，处境实已窘迫，只是我军诸将持见不一，未能进逼，所以未降罢了。如果臣亲赴行营，那么诸将各都想要立功来巩固圣上的恩宠，剿灭此贼是必定无疑的了！”宪宗表示同意。
裴度以门下侍郎、同中书门下平章事、蔡州刺史之职，任彰义军节度使及申、光、蔡州观察使，兼任淮西宣慰招讨处置使，为顾忌淮西行营都统、宣武军节度使韩弘而不愿加“招讨”之名，请求只称“宣慰处置使”。又请求将“改弦更张”改为“暂停枢衡”，将“烦劳宰相”改为“授以成谋”。他因此行既兼招抚，因此请求将“剪除”改为“革心”。宪宗一一予以采纳。裴度又委任刑部侍郎马总为宣慰副使，太子右庶子韩愈为行军司马，司勋员外郎李正封、都官员外郎冯宿、礼部员外郎李宗闵等人任判官及书记等职，这些奏请也都获准。
德宗时，朝政多有乖情悖理之举，朝廷官员偶有过从，也多命金吾卫暗中侦察上报，以致宰相不敢在自己家中见客。到裴度辅政，因众乱臣逆贼尚未诛除，应接待奇才能士，共商破贼计谋，他于是奏请在宰相私宅接见宾客，宪宗准奏。从此天下贤才俊杰得以向宰相献计出谋，宰相能在私宅接待才士，是由裴度奏请而施行的。自讨伐淮西以来，朝廷的军队屡遭失败，议论之人因官军被杀伤的人愈来愈多，转送不及，考虑息兵撤军，频繁交相进奏。裴度认为根本的祸患不及时除掉，终将酿成大祸，不除淮西的腹心之患，两河的寇贼，也将效法淮西逆贼，与朝廷一争高下。于是坚决请求坚持讨伐，宪宗十分倾心信赖裴度，因此言听计从毫不犹疑。
裴度受命后，在延英殿回答宪宗策问，进陈衷情说：“主忧臣辱，理当赴义捐生献必死之力。逆贼被灭，则将有朝见天子之日；贼在一日，则将无返回朝廷之期。”宪宗为他的恳切陈情潸然泪下。同年八月初三，裴度前往淮西，宪宗诏令神策军派三百名骑士随从护卫，并亲至通化门慰问勉励。裴度在城楼下含泪辞别，宪宗赐给他帝王佩用的通天犀角腰带。裴度名义上虽是宣抚使，实际上行使元帅职权，仍以郾城为官署所在地。宪宗因李逢吉与裴度不和，于是将其罢相，外调为剑南东川节度使。
裴度离京后，淮西行营大将李光颜、乌重胤对监军梁守谦说：“如果等裴度到来并建立了军功，就会对我们不利。当迅疾出战，先行立功。”率军出战，但败于贾店。裴度到达郾城，立即巡抚诸军，宣达圣旨，士气倍增。当时诸道兵都有宦官监阵，致使“进退不由主将，战胜则先使献捷，偶创则凌挫百端”。裴度又罢中使监军，归兵权于将帅，颇得军心。由于裴度军法严肃，号令划一，因此捷报连传。裴度派使者入蔡州劝降，吴元济拒降，李愬雪夜袭破悬瓠城，擒获吴元济。裴度先派宣慰副使马总入城安抚。裴度执持彰义军使符节，带领洄曲投降的士卒万人，相继进往，李愬身着戎装以军礼迎接裴度，在路旁拜见。裴度处置政务后，蔡州人极其高兴。吴元济时法令：路途上不许相对密谈；夜晚不得燃点火烛；有以酒食相交往的人，按军法论处。裴度却减省刑法：除盗贼斗杀外，其余旧法一概取消，相互往来，不再以白天、夜晚作为限制。到这时，归降朝廷的蔡州人才知道有人生的欢乐。
最初，裴度用蔡州士卒任署府卫兵，有人认为反叛地区刚刚归顺的人，他们尚未安心，不可自己撤去防备。裴度笑着回答说：“我受朝廷任命做彰义军节度使，叛逆元凶已经被擒，蔡州黎民就是本朝的黎民了。”蔡州父老听说后，无不感激涕零。申、光二州的百姓，立即平稳安定下来。宪宗受降，斩吴元济，至此，淮西战事终告结束。
裴度由蔡州入朝，留马总任彰义军留后，裴度刚入蔡州时，有人诬陷裴度私自没收吴元济家的妇人珍宝，宪宗听说后颇为怀疑他。这时宪宗想将吴元济的旧将全部诛杀，加授梁守谦两支宝剑，派他前往蔡州执行。裴度回朝至郾城时遇见梁守谦，便又与他返回蔡州，按罪行轻重对吴元济的旧将施以刑罚，并未完全按宪宗诏令行事。梁守谦一再以诏令制止裴度，裴度先以奏疏陈述，之后直接回朝当面陈述。
当时，成德节度使王承宗十分恐惧，裴度接受韩愈的建议，派善辩的柏耆携信至镇州晓喻王承宗，王承宗摄于兵威，只得上表献上德、棣二州，顺服于朝廷。宪宗为嘉奖裴度，下诏加其为金紫光禄大夫、弘文馆大学士，赐勋上柱国，封晋国公，食邑三千户，复知政事，加授其子及侄女婿等官职，又诏刑部侍郎韩愈撰《平淮西碑》，以示纪念。
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