十月初二，李存勖所部精锐从杨刘渡河南进，初三即进入郓州城，子夜时分跨过汶水后，命李嗣源为先锋攻击前进。初四早晨与梁军交火，大获全胜，并攻占后梁的中都（今山东汶上）。此时，有的将领认为，虽然传言汴州空虚，但不知情报是真是假，主张稳妥用兵，先向东进攻，再寻机而动。康延寿则极力主张迅速发兵汴州，李嗣源也主张昼夜奔袭，趁梁军未知内情时先夺下汴州。唐军士气高昂，初四傍晚时分，李嗣源便奉命率军快速出击，趁夜急进。第二天，李存勖率部紧随跟进。在初七这天，唐军骑兵围攻曹州（今山东定陶西），梁军守将毫无防备，只得投降。兵不血刃占领曹州之后，唐军马不停蹄继续向西飞弛前进，直逼汴州。
【朱友贞自杀】
朱友贞得到曹州失陷的消息后，惊慌不已，急忙召集群臣商讨对策，众人无计可施。朱友贞日夜痛哭流涕，不知如何是好，召来老臣敬翔询问退敌之策，敬翔数落一番他用人过失后，说纵使张良再生也无法挽回败局了，抱定殉国的决心别他而去。
朱友贞的臣子纷纷逃离，连传国玉玺也被部下盗走，守兵不少人开了小差，众叛亲离。朱友贞束手无策，急得日夜哭泣。初八，他对身旁的都指挥使皇甫麟说：“姓李的是我们梁朝的世仇，我不能投降他们，与其等着让他们来杀，还不如你先将我杀了吧。”皇甫麟忙说：“臣下只能替陛下效命，怎么能动手伤害陛下呢！”朱友贞说：“你不肯杀我，难道是准备将我出卖给姓李的吗？”皇甫麟拔出佩剑，想自杀以明心迹。朱友贞说：“我和你一起死！”说着，握住皇甫麟手中的剑柄，横剑往自己颈项一挥，血流如注，倒地死去。皇甫麟也哭着自刎而死。
初九早晨，李嗣源的骑兵到达汴州城下，守军开门献城投降。同一天，李存勖也率兵赶到，从西门领兵进城，后梁灭亡了。
朱温所建的后梁至此被后唐灭掉，前后共17年时间，其间与后唐的战争断断续续，最后败在后唐之手。李存勖奇袭汴州的计划，从最初商定到全部实施，前后仅一个多月的时间，这是中国古代战争史上长途奔袭速战速决的著名战例。唐军取胜有两个重要原因，一是准确无误的情报及据此制定的正确作战计划，二是李存勖的坚定决心与果断性格。他充分地发挥了唐军骑兵善于快速机动擅长远途奔袭的特点，中途不分散兵力固守一地，更不过多逗留，昼夜兼程抓住战机，一举获得成功。