庞勋亲自带兵出徐州，先向西到宋州、亳州，想两线带面，打破唐军的包围圈。但宿州守将张玄稔叛变投降了康承训，转引唐军进攻反攻徐州。经过数次激战，徐州攻破，守将许佶等战死。各地连续失守，庞勋的日子越来越不好过了。
庞勋带兵攻打宋州失利，又准备转攻亳州，在攻途中遭遇沙陀骑兵追击。沙陀骑兵死死咬住庞勋，日夜奔波，连吃饭的空都不给他留，就这样被赶到蕲县，准备渡河，守将李衮阻断桥梁，令唐军摆好阵势准备抵抗。庞勋及其手下渡不过河，不知往哪里去为好，转至蕲县西面，这时唐军赶到，纵兵进击，庞勋军死伤近一万人，剩余的都跳河而淹死，投降的才一千人，庞勋也战死，但战死的庞勋没有人认识他，数天后，才找到他的尸体。同时在宿迁县等地的几个营寨的士兵也都杀死守将投降。
庞勋起义终告失败。时为咸通十年（869年）九月。
这场战争，还连带出了一个副产品：西突厥沙陀势力从此坐大，并成为晚唐时期逐鹿中原很具实力、影响全局的军阀力量。
沙陀是西突厥的别部，名为处月，又被音译为朱邪。朱邪分布在金娑山（今新疆维吾尔自治区博格多山，一说为尼赤金山）南，蒲类海（今新疆东北部巴里坤湖）东，由于驻地有沙碛，且名为沙陀碛（今新疆古尔班通古特沙漠），所以对外号称沙陀部。突厥习惯以部落的名称为姓氏，所以沙陀部落的人都姓朱邪。
因镇压庞勋有功，朱邪赤心被拜为单于大都护，振武军节度使，并赐姓李，名国昌。李国昌有个儿子叫李克用。这可是个大名鼎鼎的人物，李克用跟随父亲前往江淮平定庞勋时才十五岁，虽年少，但他文武双全，骑射出色，立了不少汗马功劳，之后被皇帝封为云中牙将，从此在晚唐历史中扮演了重要角色。他的儿子李存勖在唐朝灭亡后建立后唐，为“五代十国”的五代之一。
庞勋起义前后共一年零两个月，是唐末继裘甫之后的又一次大的起义，与南方的裘甫起义相比，有许多点都惊人相似，故庞勋叛乱也更像是黄巢起义的先驱。它始于唐代边远的戍军发难，到周边大量农民的加入，其影响深远，并且他离黄巢的家乡很近。庞勋虽被镇压，但在这场战争中凸现出许多唐朝崩溃的潜在问题和力量，并为王仙芝、黄巢起义做好了准备。这也就史家评论“唐亡于黄巢而祸基于桂林”之意。
