八月八日，遼東驟雨終於停歇。司馬懿立刻集結三軍精銳，四麵合圍，以慕容跋、高允明等客軍為先鋒，築土山、掘地道、裝雲梯、立炮架，日夜攻打不息，炮矢如雨、罩城如網。
隻過了六日，襄平城中燕軍便是彈盡糧絕，人人怨恨，各無守心，皆欲獻城歸降。公孫淵萬般無奈之下，隻得派出偽燕相國王建、禦史大夫柳甫自城樓上放下吊簍出城前來魏營請降，求魏軍解圍退舍，而己方必將麵縛告饒。
司馬懿是何等的深沉老練，一聽之下便知這是公孫淵的詐降逃逸之計，毫不猶豫地下令將王、柳二人斬首入匣送回襄平城內，並命虞鬆作檄射進城中告曰：“楚、鄭列國，而鄭伯猶肉袒牽羊以迎之。孤為天子上公，而王建、柳甫等欲孤解圍退舍以應之，豈合禮乎？二人老耄，傳言有謬，已相為斬之。若公孫君意有未已，可更遣年少有明決者來！”
公孫淵不得已，又遣侍中衛演前來乞求克日送質投降，司馬懿當著衛演之麵怒斥道：“公孫匹夫這般遷延推托，無非是想以緩兵之計賺得再度天降驟雨之機也！可謂一味隻欲伺機逃竄而毫無誠心矣！汝且聽之，軍事大要有五——能戰當戰，不能戰當守，不能守當走，不能走當降，不能降當死耳！爾等既不願真心而降，則前途唯有一死矣！何必送子為質？”衛演抱頭鼠竄回城而稟，公孫淵仍是不肯麵縛求降。
五日之後，在魏軍強大的攻勢之下，襄平城四門俱潰，公孫淵父子倉皇乘亂逃出，卻被魏兵截於梁水之畔，戮於當場，傳首京師。
司馬懿隨即率軍入城，誅其偽燕從逆公卿將士一百零八家七千餘人，築為京觀耀武懾眾。同時，他對當日勸諫公孫淵勿叛大魏而遇害的遼東將軍綸直、賈範等人盡封其墓而榮其子孫，以為後來者之鑒戒。至此，自東漢初平年間以來，割據遼東四十餘年的公孫氏一族被司馬懿一舉連根鏟除，再無後患。而司馬懿本人，也憑著這一樁赫赫戰功再次深深震撼了吳、蜀兩國。