入夜后许佶又想出一计来。他们让使妇人持更守夜，将城中大船三百艘尽数掠夺，载满资粮，顺流而下，并用一千匹布帛贿赂宦官张敬思，令人将他送至汴之东境，使其西归，告诉他说这一众戍卒想进入江湖之中为盗。元密从张敬思处得知庞勋已离开宿州时，已是早晨。他下令官军立即追贼，兵士都还未来得及吃饭。等追及庞勋时，又饿又累。
元密看到堤下尽数停着庞勋所劫来的舟船，堤外则有一千人列阵。官兵靠近后，那列阵的一千人全部散走，跑入陂泽苇丛之中。元密笑道“真是一帮鼠辈草寇，没见过大阵仗。见着官军就怕成这样了。”言毕抽刃下令道“将士们，贼寇已被我们吓破了胆，跟我去杀他们个片甲不留！”元密带官军上堤追赶，这时忽然有一千人从舟中跃出，而那散走的庞勋之众也全部回过身来，与之一起夹攻官兵。这一千兵士是许佶事先埋伏在舟中的，元密只道是敌人畏己，完全没有留意舟中，这会知道中计已经晚了。双方激战近两个时辰，官军大败。元密身上多处受伤，匆忙带兵逃走。不幸的是，他陷于淤泥之中，被赵可立领兵追上，一刀削掉头颅。此战官军战死者近千人，其馀皆降于庞勋，无一人还。之后庞勋带众回到城中，聚集城中货财，令百姓来取，一日之中，四方云集，然后选募为兵， 一日就得数千人。庞勋士气大增，他自称兵马留后，令许佶详细询问降卒徐州人情及城守情况，得知徐州无备后，便准备攻打徐州。
略作整顿后，庞勋引兵北渡濉水，翻山向徐州接近。在崔彦曾知元密败后，已向邻道求救并堵塞城门，选城中壮丁为守备之计。但城中兵士畏惧庞勋声势，人人震恐，内心摇动。有人劝崔彦曾弃城逃走，彦曾怒道：“吾为元帅，城陷而死，职也！”言毕将此人斩首。
庞勋之众来至城下，已发展至六七千人，鼓噪之声动地震天。而他们又善待慰抚在城外的民居，一无所侵，由是人争归之。城内本就人心不固，桂州戍卒的家属亲戚又从内相助，因此很快就攻克了外城。崔彦曾退保子城，居民竟也开始帮助庞勋攻城，推草车塞门将城门烧坏，群兵涌入，城陷。庞勋令军士将戡、杜璋、徐行俭三人尽皆抓住斩首，以泄兵愤，并囚禁了彦曾。庞勋大陈甲兵，军容严整，仪仗甚盛，旗铠矛戟绵延三十里，号令金鼓响震山谷。文武将吏伏地拜谒，莫敢仰视。很快，城中愿附从者就达一万多人。不久后下邳土豪郑镒聚众三千，自备资粮器械投靠庞勋，庞勋大喜，以之为将。之后庞勋又分派兵将向东攻下下邳、涟水、宿迁、临淮、蕲、虹等县。向西攻下鱼台、金乡、、单父等十馀县，斩官吏，出金帛募兵，游民多从之。并遣将屯兵于柳子，丰，沛，萧等地以彰显其军威。
既得徐州，庞勋志骄气满，便欲向皇帝求为节度使，想与各藩镇平起平坐，称雄一方。