Mùa đông, tháng 10, Lê Lợi sai Nguyễn Lý và Lê Văn An đem 3 vạn quân bao vây bốn mặt, lại dựng rào lũy ở tả ngạn sông Xương Giang để ngăn chặn. Quân Minh tuy thua nhưng còn đông và mạnh. Thôi Tụ dự tính vào thành Xương Giang[38] làm nơi trú quân để phối hợp với Vương Thông, nhưng khi tiến đến gần Xương Giang mới biết là thành đã bị quân Lam Sơn hạ. Thôi Tụ phải đóng quân ngoài cánh đồng Xương Giang tại nơi nay có thể là xã Tân Dĩnh (huyện Lạng Giang, Bắc Giang) và xung quanh, cách thành Xương Giang khoảng 3 km, đắp lũy đất để phòng thủ. Lại cho quân bắn pháo làm hiệu để quân ở Đông Quan đến ứng cứu.[39][40]

Quân Minh đóng quân trong một vị trí mà phía nam là thành Xương Giang kiên cố; phía tây bắc, tây và tây nam là sông Thương; phía đông nam có sông Lục Nam; phía bắc, quân của Lê Sát, Lưu Nhân Chú, Lê Lý, Lê Văn An, sau trận Phố Cát tiếp tục bám lưng đối phương. Quân Lam Sơn còn cử các đơn vị thủy quân lên bố trí trên sông Thương và sông Lục Nam.[41][42]

Lê Lợi bèn sai các quân thủy, bộ cùng tiến quân bao vây. Lại chia quân chặn hết các ải Mã Yên, Chi Lăng, Pha Lũy, Bàng Quan. Thôi Tụ và Hoàng Phúc muốn tiến cũng không được, muốn lui cũng không xong, bèn giả hòa, nhưng âm mưu định chạy vào thành Chí Linh. Lê Lợi biết được quỷ kế của chúng, kiên quyết khước từ không cho hòa.[43][44]

Lê Lợi sai Trần Nguyên Hãn chặn đứng đường vận chuyển lương thực của giặc, sai Lê Vấn, Lê Khôi đem 3 nghìn Thiết đột quân, 4 thớt voi chiến cùng với quân của Lê Sát, Lưu Nhân Chú, Nguyễn Lý, Lê Văn An tấn công.[45][46]

Sách Việt sử tiêu án viết rằng: Gặp lúc có mưa gió to, người và ngựa chỉ trông nhau không đi được bước nào; Vương [Lê Lợi] sai chư quân đến vây kín.[47]

Ngày 15, tháng 10, năm 1427, quân Minh đại bại, nghĩa quân chém chết hơn 5 vạn thủ cấp, bắt sống Thôi Tụ, Hoàng Phúc và hơn 3 vạn người, thu được vũ khí, ngựa chiến, vàng bạc, vải lụa nhiều không kể xiết. Còn những kẻ chạy trốn thì trong khoảng không đến 5 ngày đều bị bọn chăn trâu kiếm củi bắt gần hết, không sót một ai.[48][49]

Thôi Tụ không chịu đầu hàng, Lê Lợi sai giết đi. Còn Hoàng Phúc vì trước đã nhậm chức Bố chính, hơi được lòng dân, không nỡ gia hại. Hoàng Phúc nhân xin tương kiến với Vương Thông để điều đình việc giảng hòa bãi binh.[50][51]