吕虔眼见匈奴骑兵陡然自行撤退，冲击自家的营门，而汉军前锋趁势杀了进来，当下知道不妙，急令徐质关闭营门，又命所有弓弩手立即往营门外覆盖射击，不分匈奴骑兵还是汉军，一律射杀。随后再命陈泰、王昶二人率领兵马往营门出扑去，欲要依仗兵多，将敌人顶出去。
同时吕虔又急令在外游曳的夏侯衡、文钦和匈奴左贤王刘豹率领的骑兵靠拢战场，向汉军发动攻击，以减轻自家的压力。
夏侯衡、文钦离得较远，一时无法赶到，但左贤王刘豹却就在附近，接到命令之后，刘豹顿时沉吟了片刻，竟不往战场靠拢，仅只是多派斥候大唐情况。
身旁一名小王见状，不解地道：“左贤王为何不依令前去攻击汉军？”
刘豹道：“汉军与我有何仇？魏军与我有何恩？我等之所以领兵来此，不过是不得已受了魏帝征召罢了。如今汉魏两军交战还不到一个时辰，魏军有坚固营垒可守却仍旧露出了败象。由此观之，魏不如汉也！我匈奴人远离大漠，南下依附汉朝，为的是接受强者庇护，让部族能够更好的活下去，而不是为了锄强扶弱来的。如今汉强于魏，我们何必要为了魏朝而白白填进儿郎的性命。”
那小王点了点头，又道：“只是左部帅的部众如今陷在汉魏两军之间，若不往救，恐有全军覆没之忧。左贤王，我们是否应该救他出来？”
刘豹沉吟道：“左部帅一向是唯右贤王去卑马首是瞻的，让他吃点苦头也好！况且我们此时杀出也未必能救下左部帅，反倒有可能把自己陷进去。再等等吧，等到汉军攻破魏军营寨，大军混乱之际，我们再杀出救下左部帅的残部，说不定能将之拉过来。”
匈奴左贤王刘豹至此按兵不动，而夏侯衡、文钦的兵马尚在远处，一时难以回来，因此吕虔虽然招引援兵，却并无一支援兵能及时赶到。而张任已经率领着前锋杀到了曹军营垒之前。
匈奴左部帅李恪被汉魏两军前后打击，进退不得。前面有曹军弓弩手和铁甲长矛兵阻路，后面有汉军弓弩手、铁甲长矛兵和连弩、炸弹的攻击，相比较而言，自然还是汉军更恐怖一点。李恪眼见大军进入了绝路，而魏军对自己箭射矛刺，毫不留情面，当下为求活命，不由恶向胆边生，下令麾下骑兵杀进魏军营寨，砍杀一切阻拦自己的敌人。
于是战局不自觉地形成了李恪在前，张任在后，双方联手冲击曹军营寨的局面，曹军的营门再也不可能被关上了。
在中军紧张地观战的刘贤看见，当下将手一挥，命史阿率领的板甲重骑前冲，又命黄忠督率关兴、关索、张俭、高虑、薛洪、王琰等人梯次进击，跟在史阿的重骑兵之后攻打曹军营寨。再命徐盛、丁奉严密戒备侧翼，命陈肃守营，牛金领兵前来遮护后路。
此时匈奴左部帅李恪已经率领着在绝地挣命的匈奴骑兵冲破了曹军的阻拦，亡命奔逃的骑兵将曹军营寨冲击的一团乱。随后跟进的张任因此得以顺利地站住了营门，接应史阿的重骑兵冲了进来，至此大局已定。
张任率领铁甲长矛手和连弩兵向着曹军营寨的两翼攻击前进，四处呐喊。史阿则率领重骑兵不管不顾地闷头前冲，从曹军营寨的西营一直往东营杀去，意图依仗重骑兵超强的冲击力直接踏营。
所谓兵败如山倒，在这种情况下，吕虔便是有三头六臂也挽回不了败局了。
眼见麾下众军一片惊慌，所有弓弩手都被追着砍杀，各军都组织不起有效的抵抗，而汉军则个个如狼似虎一般，气势如虹地杀了进来，又有惊慌失措的匈奴骑兵在营中乱窜，场面已经不可收拾。
当下吕虔长叹一声，命王昶分兵断后，其余大军则立即撤退。刘贤挥军掩杀，直接追着曹军杀向彭城。吕虔无法抵挡，再从战场至彭城上百里的道路上曹军被汉军追砍掩杀，若非担心在外游曳的匈奴左贤王刘豹以及急速赶回来的夏侯衡、文钦这两部骑兵，必须要分出相当一部分兵力去戒备侧翼和后方，汉军的战果必定会更加辉煌。
即便是如此，到了次日一早，刘贤收到了各军统计上来的战果之后，也乐得合不拢嘴了。
据统计，泗水一战，匈奴骑兵被汉魏两军夹在中间，损失极重，单是尸体便清点出三千二百余具，此外，魏军的本部兵马之中，大黄弩全部被毁，蹶张弩损失殆尽，其余弓弩兵也折损过半，总计战死七千三百余人，此外还有二万四千余人被俘。汉军缴获粮草十二万石，战马六百余匹，各类箭矢三十七万支，刀枪剑戟弓弩等兵器三万八千件，衣甲鹿角帐篷等军资无数。
阵斩敌将张持、李条。
吕虔仅只率领着三万四千余人逃回了彭城，其中还有六千八百余人是匈奴骑兵，其各部汉军仅只剩下步骑兵二万七千余人。
当下刘贤沿着泗水进军，直追到彭城之下，将城池围了起来，只是一时未能攻城。
这一来是因为彭城被吕虔、陈泰等人驻守了数月，修葺的十分坚固，一时难以攻克，二来则是泗水之战虽然获胜，但汉军各部也极为疲惫，多有伤亡，各军总计战死二千一百余人，多是在营外弓弩对射之中战死的，其外还有三千余人受伤，需要好生休养。
刘贤命人将战死士卒妥善收敛，伤者全部回下邳休养，战俘则经过清点，统计了籍贯之后，被陈应、鲍隆两营水军用船只押到泗水以东修筑了几