假装和使者商量说：“刘悟刚从节度使府回来，防备很严密，不能仓促行事。请让我先去告诉他，就说‘司空派遣使者来慰劳将士，还有赏赐的财物，请都头速回军营，一同接受传令’。这样他就不会怀疑，才能趁机下手。”使者同意了。张暹怀揣密信跑到刘悟那里，屏退旁人，把密信拿给他看。刘悟暗中派人先捉住两名使者，将他们斩杀。当时天色已经傍晚，刘悟按住马缰绳，缓缓返回军营，坐在帐幕之下，布置重兵保卫自己。他召集各位将领，神色严厉地对他们说：“我和诸位不顾生死，奋力抵抗官军，实在没有辜负司空。现在司空听信谗言，派人来取我的首级。我死了之后，诸位也会是同样的下场。况且天子想要诛杀的，只有司空一人而已。如今叛军形势日益窘迫，我们为什么要跟着他遭受灭族之灾！我打算和诸位收起军旗、脱下铠甲，返回郓州，遵奉天子的命令，这不仅能免除危亡，还能谋求富贵。诸位觉得怎么样？”兵马使赵垂棘站在众将之首，沉默许久才回答说：“这样做，事情真的能成功吗？”刘悟应声骂道：“你竟然和司空合谋吗！”当即下令将他斩首。刘悟挨个询问其他将领，有迟疑不决、不肯表态的，全部斩杀，又把军中向来被众人厌恶的人也一并斩首，总共杀了三十多人，把尸体陈列在帐前。剩下的人都吓得两腿发抖，说：“我们都听从都头的命令，愿意拼死效力！”刘悟于是下令士兵：“攻入郓州后，每人赏钱一百缗，只不准靠近官府的仓库。节度使府邸和叛党家中的财物，任凭你们去抢掠，有仇的可以报仇。”他让士兵们都吃饱饭、拿起武器，约定半夜听到三声鼓声后就出发。士兵们嘴里衔着枚，马匹被勒住嘴，途中遇到行人就抓起来看管，没有人知道他们的行动。军队行进到距离郓州城几里的地方，天还没亮，刘悟下令军队停下，派人等候城墙上的打更声停止。随后派十个人先行，声称“刘都头奉司空的密令，要进城办事”。守门的士兵请求等写好禀报文书再通报节度使，这十个人立刻拔出刀来指着他们，守门的人吓得四散逃窜。刘悟率领大军紧随其后赶到，城中人声鼎沸，震天动地。等大军抵达时，内城的城门已经大开，只有牙城还在坚守。刘悟当即下令放火焚烧牙城门，又命人用斧头劈开城门，率军攻入。牙城里的守兵不过几百人，起初还有人射箭抵抗，不久就知道寡不敌众，全都放下了武器。刘悟率领士兵登上节度使的厅堂，派人搜捕李师道。李师道和两个儿子躲藏在厕所的床底下，被士兵搜了出来。刘悟下令把他们押到牙门外的空地上，派人对李师道说：“我奉密诏送司空回京，可司空还有什么脸面去见天子呢！”李师道还抱着侥幸活命的心思，他的儿子李弘方抬头说：“事情已经到了这个地步，快点死才是幸运！”不久，李师道父子都被斩首。从卯时到午时，刘悟才命令两名都虞候巡查街坊集市，禁止士兵抢掠，城中很快就安定下来。刘悟把士兵和百姓都召集到球场，亲自骑马巡视，安抚慰问众人。他下令斩杀了二十多家曾协助李师道谋反的人，文官武将们既害怕又高兴，纷纷入宫向刘悟道贺。刘悟见到李公度，握着他的手痛哭流涕；又把贾直言从监狱里放出来，安置在自己的幕府中。刘悟从阳谷率领军队返回郓州之前，曾暗中派人把自己的计划告诉田弘正，说：“如果事情成功，我会举烽火向您通报。万一城中有所防备，我没能攻进去，希望您率军前来相助。大功告成之日，功劳全都归于您，我刘悟不敢独占！”同时他还让田弘正率军进驻自己原来的营寨。田弘正看到烽火，知道郓州已经被攻克，便派遣使者前去祝贺。刘悟把李师道父子的首级装在匣子里，派人送到田弘正的军营，田弘正大喜，当即写了告捷文书上报朝廷。至此，淄、青等十二州全部平定。田弘正起初得到李师道的首级时，怀疑不是真的，就召来夏侯澄辨认。夏侯澄仔细端详李师道的面容，放声大哭，悲痛得昏死过去，许久才苏醒过来，接着又抱起首级，用舌头舔去李师道眼中的尘土，再次痛哭不已。田弘正见此情景，也不禁动容，赞赏他的忠义，没有责备他。
壬戌日，田弘正的捷报传到京城。乙丑日，朝廷任命户部侍郎杨于陵为淄青宣抚使。己巳日，装着李师道首级的匣子被送到京城。自从广德年间以来，将近六十年的时间里，河南、河北三十多个州的藩镇桀骜不驯，擅自任命官吏，不向朝廷缴纳赋税，到这时终于全部遵守朝廷的法令约束。宪宗命令杨于陵分割李师道原来的地盘，杨于陵查阅地图户籍，根据土地的远近、兵马的多少、仓库的虚实，将淄青地区划分为三个道，使各道的实力相当：把郓州、曹州、濮州划为一道，淄州、青州、齐州、登州、莱州划为一道，兖州、海州、沂州、密州划为一道。宪宗听从了他的安排。
刘悟因为当初讨伐李师道的诏书里说：“如果部将有人能杀了李师道，率领部众投降，就把李师道的官爵全部授予他。”便以为自己能得到淄青十二州的地盘，于是自行任命文官武将，还撤换了各州各县的长官；他对部下说：“军府的政务，一切都按照旧例办理。从今以后，我和诸位只管抱儿子、逗孙子，还有什么可担忧的！”宪宗打算把刘悟调任到其他藩镇，又担心刘悟拒不接受，再次需要动用武力，就秘密下诏让田弘正观察刘悟的动向。田弘正每天都派遣使者前往刘悟的军营，名义上是前去交好，实际上是观察他的举动。刘悟力气很大，喜好摔跤，攻克郓州三天后，就开始教军中的壮士练习摔跤，还让田弘正的使者在庭院里观看，自己则摇晃着肩膀、捋起袖子，离开座位为摔跤的人呐喊助威。田弘正听说这件事后，笑着说：“他这是听说要被调任了，马上就会动身的，翻不起什么大浪！”庚午日，朝廷任命刘悟为义成节度使。刘悟接到任命诏书后，吓得手足无措。第二天，他就启程前往义成赴任。田弘正早已率领几路兵马来到郓州城西二里的地方，在客亭和刘悟相见。刘悟当即接受了节度使的旌节，然后快马赶赴滑州，还征召李公度、李存、郭昈、贾直