在众将的劝说下，崔彦曾最终决定发兵进讨庞勋。
徐州城内有四千三百守军，崔彦曾交给都虞候元密三千人，出发前向士卒列举庞勋罪行，并郑重承诺：“他们不仅涂炭平民，而且有侮我军声名。倘若国家发兵诛讨，恐怕徐州全军都会玉石俱焚。你们当中如有他们亲人家属，无须疑虑担心。罪止庞勋一人，必不连坐！”
同时，命令宿州军出兵符离（宿州符离县），泗州军出兵于虹（今地不详），策应元密作战。
十月初八，元密自徐州出发，一路上旌旗招展，军容盛大。
在元密心中，以三千精锐，征讨千余流亡江湖、衣着褴褛的逃兵，那还不是手到擒来。
他决不会想到，这看似简单的任务，竟会是一条不归之路！
唐军行至任山以北数里——任山位于今江苏铜山县西南，是从徐州到宿州的必经之路——元密下令停军休息，召集将领商议。决定待戍卒们走到任山驿，再行出兵攻打。为了掌握戍卒动向，他派人扮成砍柴农夫的样子前往侦察。
日暮时分，庞勋一行抵达任山驿。看到驿站空无一人，且又没有任何饮食供应，不禁起了疑心。
恰巧有人发现附近有几个背着柴薪、形迹可疑的农夫，抓起来一问知道了实情。
庞勋将计就计，让人在山下摆放了无数假人，悄悄领军离去。直到夜深，唐军发现有诈，但又害怕庞勋隐藏在山谷中袭击，不敢前行，撤回任山南城宿营。第二天天亮，才再次出发追赶。
而此时的庞勋，经过一个晚上的行军，已经进至符离（今安徽宿州符离镇），在濉水边上击溃了五百宿州军，乘胜追至宿州城下。
宿州刺史缺编，暂由观察副史焦璐代理，城内已没有多余士卒，庞勋即刻组织攻城。
十月初十，宿州陷落，焦璐弃城逃走。
庞勋令人将城中财物聚拢起来，让百姓随意领取。消息传出，从四面八方赶来的人络绎不绝。拿了钱就立即招募他们入伍，一天之内得到数千人。
庞勋分派士卒登城防守，自称宿州兵马留后。
又过了一天，元密方才到达宿州附近，城内戍卒早已严阵以待。
在宿州城破之前，焦璐得知五百宿州军兵败苻离，让人掘开汴水，想要阻断宿州以北的通路，挡住庞勋。谁知庞勋进军神速，到宿州时汴水还可徒步通行。等到元密到后，水已深不可过。
十月十二日，元密备齐船只，率军渡过汴河。正要围城攻打，突然天降狂风。庞勋命令士卒发射火箭，引燃了城外茅屋。火借风势，一直蔓延到元密军营，唐军顿时陷入前则身冒矢石、后又遭遇水火的困境。庞勋趁势急攻，斩杀唐军近三百人，元密率军狼狈退去。
庞勋并没有被胜利冲昏头脑，他知道唐军虽败但未伤元气。而他这边的骨干，也就从桂州来的八百戍卒。其他数千人都是刚刚招募的新兵，未经训练只能壮壮声威，与唐军相比实力仍然悬殊，再打下去恐无胜算。
到了晚上，庞勋令妇女在城中击鼓巡更，他们乘坐抢来的三百艘大船，装满粮食货物，顺流而下。
天亮时，唐军发现庞勋离去，连饭都顾不上吃急忙追赶，等到追上时早已饥饿难耐。
庞勋将船停靠在堤下，让数千新兵在堤上列好队形，摆出一副岸滩决战的姿态，骨干精锐则埋伏于船中待命。
等到唐军快到时，在堤上列阵的士卒佯装退入岸边滩涂。元密以为庞勋畏战，纵兵追击。船上伏兵突然杀出，与岸上士卒联合起来夹攻唐军。
双方角逐在一处搏命厮杀，从午时一直战至黄昏，饥疲交加的唐军再也支撑不住，阵形溃散，被打得大败。
元密领兵撤退不慎陷入泥沼，一时无法退出，庞勋追到又是一顿砍杀。
元密和监阵敕使全部战死，士卒被杀千余人，其余均放下武器归顺庞勋，从徐州派出剿匪的三千精锐竟无一人归还。
庞勋向降卒了解徐州城防，得知城中兵力仅剩一千余人，且毫无戒备，遂决意夺取徐州。
十月十五日，庞勋率军北渡濉水，翻越山岭直奔徐州而来。
当晚，崔彦曾获知元密全军覆没，忙向邻近军镇请求增援。第二天，派人堵死城门，挑选城中精壮男丁登城防御。
徐州自建唐以来，两百多年间很少发生战事。得知庞勋杀到，城中军民早已斗志全无。有人劝崔彦曾前往兖州避难（山东济宁市衮州区），被崔彦曾严辞拒绝，发誓与徐州共存亡。
十月十七日，庞勋率七千余人抵达徐州城下，鼓噪喧哗，声震天地。
庞勋令人安抚居住于城外的民众，严禁侵扰。百姓见庞勋不但不像官府描述的那样凶神恶煞，反而对他们十分亲切，纷纷赶来归顺。不多时，庞勋攻陷外城。
崔彦曾退保内城，百姓反过来帮助庞勋攻城，放火焚毁城门，内城也被轻易攻破。徐州沦陷！
庞勋把崔彦曾拘押起来，将尹戡、杜璋、徐行俭三名罪魁祸首交给愤怒的戍卒，凌迟处死。
庞勋意气风发，端坐于观察使宝座之上，两边站满全副武装的士兵。徐州军府所属文武将吏，全部跪伏在殿堂下瑟瑟发抖，没人敢抬头仰视。
当天，城内愿意归顺的多达一万余人。
十月十八日，庞勋叫来提出“三难、五害”的温庭皓，让他给朝廷上疏，索求节度使官职。
温庭皓很有骨气，誓死不写。庞勋笑着赞叹：“你个书生胆子倒大，竟不怕死！我庞勋能夺徐州，还怕没人起草奏疏！”随即大度放走了温庭皓。
有个叫周重的读书人，平时自诩有才，但一直未受重用，过得穷困潦倒，对朝廷愤懑不堪。城破之后，徐州换了主人，他主动前来投靠。
庞勋大喜过望，将其迎为上宾，请他替自己起草奏疏。周重思忖片刻，提笔一挥而就：
“臣所在武宁军，乃是汉高祖刘邦龙兴之地（刘邦起于沛县，属徐州境）。近来只因节度使克扣将士粮饷，且赏罚不公，被将士驱逐。陛下不问缘由，竟下令废止武宁建制，对军中将士或杀或流，以至冤死无数。”
“如今又要诛杀我等，将士痛恨愤慨，推举臣暂代兵马留后，统辖十万军队，节制四州之地。”
“臣听说见利必须抓住，这是成就帝王之业的根本。臣已掌握徐州军政，不想失去利益。特地恳请圣慈，赐予臣节度使旌节。否则不然，臣将挥戈西向，打下长安再去拜见陛下不迟！”
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