十月，皇甫嵩下令强攻广宗，与张梁大战。
但张梁指挥有度，手下部队作战精勇，皇甫嵩不能攻克。
眼看两个月的期限将至，强攻又不行，众人一时间没了思路。
当天夜里，曹操找到皇甫嵩。
他说道：“黄巾军虽然人数众人，但作战并无章法，各地黄巾军多是自顾自固守城池，不会相互驰援。如今我军围困张梁于广宗，城中的黄巾军早已经听说了南面朱将军不接受投降之事，定然会死守到底，我军一时间难以取胜。不如改变计划，偃旗息鼓，挂上免战牌，假装不再进攻。黄巾军见状定然会松口气，放松警惕。届时我军再趁夜进攻，必可破之。”
皇甫嵩从之。
次日，城前大营便挂起了免战牌，众将士偃旗息鼓，静等机会。
城中的黄巾军见状，立刻将此事报给张梁。
张梁匆忙上前，直到看见皇甫嵩军营前的牌子，才松了口气。
但他尚未放松，下令要求众将士保持巡逻，不可掉以轻心。
一连数日，皇甫嵩军营中皆无动静，免战牌一直高高挂起，城中的黄巾军却没有停歇。
很快，黄巾军中开始出现抱怨，说汉军都没有想法进攻，为何他们还要巡逻。
军心也进一步溃散。
张梁无奈，只好下令将士休息。
曹操时刻关注着黄巾军的人员值守情况。
他见今日黄巾军守卫之人松散许多，意识到机会来了，当即报告皇甫嵩：“将军可趁今夜突袭。”
皇甫嵩立即趁夜调兵，鸡鸣时分冲入其阵。
黄巾军仓促应战，张梁战死，黄巾军阵亡三万多人，投河而死的有五万多人。
皇甫嵩焚烧辎重车三万多辆，将张角剖棺戳尸传首京师，震慑全国。
攻克广宗城后，黄巾军首领张角和张梁均已死，南线黄巾军都已被消灭，黄巾军最后一股有影响力的势力就剩下张宝一支军队了。
张宝打算据守在下曲阳县准备做困兽之斗，无奈军队士气低下。皇甫嵩与巨鹿太守郭典用时仅仅不到一个月，便攻克下曲阳，斩杀张宝，俘杀黄巾军十余万人。
皇甫嵩将十万人的尸骨筑成了“京观”（古代为炫耀武功，聚集敌尸，封土而成的高冢）。
消息传到朝廷，当即任命皇甫嵩为左车骑将军，领冀州牧，并晋封他为槐里侯，食槐里、美阳两县的租税，食邑共八千户。
后来，皇甫嵩上书给灵帝，将平定冀州黄巾军的功劳推给卢植，于是卢植官复原职，仍任尚书。
就这一点，让曹操对皇甫嵩更加刮目相看。
至此，声势浩大的黄巾起义基本被镇压。虽然后续几年陆续仍有黄巾起义，但都被很快镇压或者影响太小，并未引起重视。
曹操在第一次讨伐黄巾军虽然出场的机会不多，但与皇甫嵩一道中立下汗马功劳，深受皇甫嵩器重，也赚取了自己争霸天下的第一桶实战经验。
凭借讨伐黄巾军的功劳，曹操出任济南国国相。