皇甫嵩也意识到了强攻不是上策，便传令闭营休士，做出一副休养生息的态势。张梁一连几日都不见官军有所动静之后，便派出士兵在城外重修战壕进行试探，直到战壕挖完都不见官军前来阻挠，让张梁也不由放松了警惕。暗中观察的皇甫嵩注意到黄巾军重修战壕后，城头的守卫轮岗便由一日三次减少到一次两次，而且夜间的守军数量也明显减少了。皇甫嵩意识到敌人被迷惑了，立即乘夜调兵，在鸡鸣时分让前军抬着壕桥架过壕沟后迅速过桥在墙角边挖开数条地道通入城内，后方突袭部队自地道潜入城内放火，并趁乱打开城门。城门一开后，官军云涌而入，如梦初醒的黄巾军仓促应战，根本抵挡不住。张梁因兄长的尸骨葬在广宗，坚持不肯逃离，一番拼杀后死于乱军之中。失去主将的黄巾军退出广宗后奋力奔逃，而建功心切的刘备则率军穷追不舍。被逼无奈的黄巾军几次回身作战企图击退刘备，却连败七阵，阵亡三万多人，余下的士兵愈加溃不成军。刘备一路将敌军追到了渜水边，近五万黄巾教众投河而死，尸体几乎将河道堵塞。
占领了广宗的皇甫嵩将城内三万余辆的黄巾军辎重车全数焚烧，火势冲天，同时，他还寻到了张角的墓地，将其剖棺戮尸，并砍下首级送往京城。洛阳那边，刘宏正为董卓殆误战机而心怀不满，见到皇甫嵩送来的张角首级，方才龙颜大悦，立刻下令改由皇甫嵩辖管冀州。刘宏本想将董卓像卢植一样押回洛阳审问，不过董卓一向与十常侍暗中交好，在他们的劝阻下，刘宏只是撤了董卓中郎将的职务让其仍回凉州戍边。
得到调令后，皇甫嵩星夜启程并传书曹操让其前来增援，两军在巨鹿汇合。皇甫嵩本欲引见刘备与曹操相识，不想见面后曹操兴趣索然，聊了没几句就借故营中有事先走了。刘备不了解曹操的为人也不疑有他，倒是皇甫嵩觉得奇怪，当晚在帐中召见了曹操，问他：“孟德，你平日里最好结交天下豪杰。这刘玄德仪表不俗，又兼汉室宗亲，两个异性兄弟更是绝世猛将，不知孟德何故有意疏远？”曹操听了不以为然道：“皇甫公此言差矣。现今时局难称治世，要重振朝纲必须破除门阀观念，摒弃宗室和士族的虚誉，唯才是举。刘备貌似人杰，却抛不开自己的出身，与我终非同道中人。”皇甫嵩听了知道再说无益，只能摇头叹息。
在官军和地方豪强武装的轮番攻击之下，各地的黄巾军相继败亡，下阳曲县已成了没有外援的孤城。面对皇甫嵩的再一次围城，张宝眼见城中物资消耗殆尽，难以坚守，干脆调集人马出城与官军决战。皇甫嵩连战连捷，且手握大半朝廷精兵，其势锐不可当；反观张宝军士气低落，已是强弩之末。交战不多久，黄巾军就一片溃败，张宝也被乱箭射落马背，死于非命。皇甫嵩顺势攻破了下阳曲县，俘虏了近十万黄巾教众。皇甫嵩为彰显武功并震慑乱贼，将俘虏尽数坑杀，聚集尸骨，用土封成高冢，是为“京观”。
张宝一死，黄巾军主力全部被平定，余下的小股势力纷纷撤去武装暂时蛰伏。立下首功的皇甫嵩威震天下，他身边的谋士——凉州名士阎忠劝他说：“圣人顺时而动，智者因机而发。今朝政日非，中原空虚，正是将军难得的时机，何不南面称制成就大业？况且将军对黎民有再造之恩，威加海内，必得人心！”皇甫嵩坚持不从，正色道：“你不是蒯通，我也不是韩信，这种大逆不道的话以后就不要说了。”阎忠见劝说无效，恐怕招来祸事，便连夜逃回了凉州。
另一方面，张燕手下的黑山军已发展到十万多人，他怕黄巾军灭亡后朝廷会将矛头指向自己，忙派了使者去洛阳上书请求归降朝廷。刘宏刚受了黄巾军的惊吓不愿再开战事，便收下降书，任命张燕为平南中郎将，让他管理河北各山区的事务，并赋予他举孝廉和考察官吏的权力。
皇甫嵩、朱儁等人衣锦还朝后，都得到了封赏。皇甫嵩被任命为左车骑将军，领冀州牧，并赐槐里侯，食槐里、美阳两县的租税，食邑共八千户；朱儁为右车骑将军，加光禄大夫，改封钱塘侯，增食邑五千户；孙坚被拜为别部司马，曹操升为济南相，刘备被封为安喜县县尉。而卢植则在皇甫嵩、朱儁二人的力保下，官复原职，仍任尚书。
黄巾之乱如流星划破苍穹，又如落雷惊醒长夜，以万钧之势将大汉王朝摧折得风雨飘摇。起义遭到了镇压，但乱世却接踵而至，正所谓：
大汉王气染冥色，太平布道论阴阳。
火德生土化黄巾，符水承恩慰八荒。
十方京观埋枯骨，万里血路述国殇。
天公本是甿隶人，却造乱世夜未央。
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