張任率領鐵甲長矛手和連弩兵向著曹軍營寨的兩翼攻擊前進，四處吶喊。史阿則率領重騎兵不管不顧地悶頭前沖，從曹軍營寨的西營一直往東營殺去，意圖依仗重騎兵超強的沖擊力直接踏營。
所謂兵敗如山倒，在這種情況下，呂虔便是有三頭六臂也挽回不了敗局了。
眼見麾下眾軍一片驚慌，所有弓弩手都被追著砍殺，各軍都組織不起有效的抵抗，而漢軍則個個如狼似虎一般，氣勢如虹地殺了進來，又有驚慌失措的匈奴騎兵在營中亂竄，場面已經不可收拾。
當下呂虔長嘆一聲，命王昶分兵斷后，其余大軍則立即撤退。劉賢揮軍掩殺，直接追著曹軍殺向彭城。呂虔無法抵擋，再從戰場至彭城上百里的道路上曹軍被漢軍追砍掩殺，若非擔心在外游曳的匈奴左賢王劉豹以及急速趕回來的夏侯衡、文欽這兩部騎兵，必須要分出相當一部分兵力去戒備側翼和后方，漢軍的戰果必定會更加輝煌。
即便是如此，到了次日一早，劉賢收到了各軍統計上來的戰果之后，也樂得合不攏嘴了。
據統計，泗水一戰，匈奴騎兵被漢魏兩軍夾在中間，損失極重，單是尸體便清點出三千二百余具，此外，魏軍的本部兵馬之中，大黃弩全部被毀，蹶張弩損失殆盡，其余弓弩兵也折損過半，總計戰死七千三百余人，此外還有二萬四千余人被俘。漢軍繳獲糧草十二萬石，戰馬六百余匹，各類箭矢三十七萬支，刀槍劍戟弓弩等兵器三萬八千件，衣甲鹿角帳篷等軍資無數。
陣斬敵將張持、李條。
呂虔僅只率領著三萬四千余人逃回了彭城，其中還有六千八百余人是匈奴騎兵，其各部漢軍僅只剩下步騎兵二萬七千余人。
當下劉賢沿著泗水進軍，直追到彭城之下，將城池圍了起來，只是一時未能攻城。
這一來是因為彭城被呂虔、陳泰等人駐守了數月，修葺的十分堅固，一時難以攻克，二來則是泗水之戰雖然獲勝，但漢軍各部也極為疲憊，多有傷亡，各軍總計戰死二千一百余人，多是在營外弓弩對射之中戰死的，其外還有三千余人受傷，需要好生休養。
劉賢命人將戰死士卒妥善收斂，傷者全部回下邳休養，戰俘則經過清點，統計了籍貫之后，被陳應、鮑隆兩營水軍用船只押到泗水以東修筑了幾個戰俘營給看押了起來。晚上入戰俘營休息，白天則被大軍押著來到彭城之下修筑長墻、壕溝，堆積土山，準備強攻彭城。
隨后劉賢準備將軍務交給黃忠暫時打理，自己則打算北上幽州，去近距離指揮對鮮卑人的大戰。