他带军向东北进至昌邑，深沟高垒而防守。梁王一再派使者来向周亚夫请求援助，周亚夫按既定策略，不发兵。梁王上书向景帝报告，景帝派使者诏令周亚夫救援梁国。周亚夫不执行诏令，仍然坚守营垒不肯出兵，而派遣弓高侯韩頹当率领轻骑兵断绝吴军后面的粮道，然后将大军推进到下邑。
这时吴楚联军已感到进退两难，乃回军向下邑，要与汉军主力决战，多次向汉军挑战，周亚夫始终不出兵应战。夜间，汉军营中突然惊动，互相攻击，扰乱到周亚夫帐旁。周亚夫安卧不起。过了一会，就安定了。吴军拉到汉军营垒的东南角，摆出在东南进攻的态势，周亚夫却安排在营垒的西北角加强戒备。一会儿吴军的精锐部队果然调到西北方发起进攻，但不能攻入。吴楚联军因为饥饿，不得已引军撤退。周亚夫乘机发动精锐部队追击，大破吴军。吴王刘濞丢弃自己的军队，带着几千名士兵逃跑，到了长江以南，在丹徒进行防守。楚王刘戊走投无路而“自杀”。汉军乘胜追击，俘虏了大部分吴楚将士，平定了许多县邑，并悬赏黄金千斤捉拿吴王。过了一个多月，越地民众斩了吴王刘濞的头前来领赏。这次用兵，前后三个月，平定了吴楚七国之乱。到这时候，将领们都承认太尉周亚夫的计谋正确，只有梁王刘武从此与周亚夫有了嫌隙。