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个战俘营给看押了起来。晚上入战俘营休息，白天则被大军押着来到彭城之下修筑长墙、壕沟，堆积土山，准备强攻彭城。
随后刘贤准备将军务交给黄忠暂时打理，自己则打算北上幽州，去近距离指挥对鲜卑人的大战。