Khi địch truy đến Cô Lâm, bất ngờ bị quân mai phục của ta từ hai bên sườn xông ra diệt hơn 1.000 tên. Bị đòn đau, địch hốt hoàng chạy về Đông Quan. Quân ta truy kích đến tận cầu Nhân Mục diệt thêm một số tên. Đến Nhân Mục, Lý Triện định thừa thắng đánh úp luôn đạo quân của Phương Chính. Nhưng trước đó Phương Chính nghe tin bại trận và Sa Đôi bị uy hiếp trực tiếp từ phía tây nam nên vội vàng bỏ doanh trại chạy về Đông Quan để tránh bị tiêu diệt. Như vậy, xét về tổng thể thì thế trận hợp vây bằng ba mũi của Vương Thông đã bị phá sản ngay từ đầu.
Thay cảnh tháo chạy tán loạn của Mã Kỳ, Phương Chính và được tin quân ta tập trung về Cao Bộ, Ninh Kiều, chủ tướng địch Vương Thông quyết định tiến quân thận trọng hơn. Ngay đêm 5 tháng 11, Vương Thông lệnh cho các cánh quân của Mã Kỳ, Sơn Thọ và Phương Chính, Lý An vừa bại trận tập trung về Cổ Sở để hợp binh. Với lực lượng lớn, Vương Thông tin sẽ ngăn chặn được các cuộc tập kích bất ngờ của quân ta và tránh tình trạng chia nhỏ lực lượng, dễ bị tiêu diệt. Đồng thời, y chủ chương mở một cuộc tiến công hòng xóa căn cứ Ninh Kiều, đánh thông đường vào Thanh Hóa. Trong trận này, Vương Thông từng đích thân chỉ huy cánh chính binh tiến dọc sông Đáy, vòng phía sau Cao Bộ hòng cùng cánh chính binh đánh kẹp lại.
Về phía ta, sau khi hợp quân tại Ninh Kiều, các tướng Lý Triện, Phạm Văn Xảo đã được tăng cường kịp thời bởi đạo quân của Đinh Lê, Nguyễn Xí với 3.000 tinh binh và voi chiến. Sáng 6 tháng 11, một bộ phận tinh binh do Lý Triện chỉ huy từ Ninh Kiều tiến lên bất ngờ tập kích vào doanh trại ngoại vi của địch ở Cổ Sở. Với lực lượng nhỏ, quân ta không thể tiêu diệt một căn cứ tập trung đến 10 vạn quân của quân Minh mà chỉ khiêu khích, nhử địch ra khỏi căn cứ để mai phục tiêu diệt chúng. Ngay sau trận tập kích địch ở Cổ Sở, nghĩa quân đã rút về Cao Bộ và lập kế hoạch mai phục đánh địch.
Lúc này, Vương Thông huy động toàn bộ lực lượng của chúng ở Cổ Sở kéo quân tiến đến Ninh Kiều. Chúng cho rằng ta vừa thất bại ở Cổ Sở nên muốn thừa thắng mở cuộc tiến công vào doanh trại của quân ta ở đây. Khi gần tới Ninh Kiều, Vương Thông mới biết nghĩa quân đã bỏ doanh trại đi nơi khác, nên đành cho quân đóng ở phía đông Ninh Kiều do thám quân ta. Thế là một lần nữa quân địch đã bị nghĩa quân đánh bật khỏi căn cứ và đẩy vào thế bị động đối phó, từ cuộc hành quân chủ động có mục tiêu rõ ràng nay trở thành bị động, có nguy cơ bị đối phương tiến công bất ngờ đang đến gần. Vương Thông phải bị động thay đổi kế hoạch tiến công và buộc phải đi vào con đường mà ta lựa chọn và bố trí lực lượng mai phục.
Do nắm được kế hoạch hành quân cụ thể của địch, nghĩa quân quyết định bố trí hai trận địa mai phục ở Tốt Động và Chúc Động, trong đó, Tốt Động được chọn làm trận địa mai phục chủ yếu. Đây một cánh đồng lầy lội, có bụi cây rậm rạp, chỉ có một con đường chạy ngang qua phía tây mà quân chủ lực của Vương Thông muốn tiến lên Cao Bộ buộc phải đi qua. Trận địa mai phục thứ hai được ta bố trí ở vùng Chúc Động (nay thuộc xã Ngọc Sơn, Chương Mỹ), nằm ngay dưới chân núi Trúc Sơn có đòng sông Đáy chảy vòng sát chân núi. Nghĩa quân lợi dụng địa hình núi rừng để mai phục hai bên đường, nhằm phối hợp với trận địa chính ở Tốt Động đánh vào hậu quân của cánh quân chủ lực địch, đồng thời chặn đường lui quân của cả hai đạo quân về thành Đông Quan. Với cánh chính binh do Vương Thông chỉ huy có lực lượng lớn, đội hình hành quân kéo dài. Quân ta không rải quân đánh vào toàn bộ đội hình địch, mà tập trung đánh vào tiền quân và hậu quân của chúng. Còn đối với đạo kỳ binh của địch, nghĩa quân chủ động chặn đường rút lui và tiêu diệt chúng tại Chúc Động.
Sáng 7 tháng 11, khi đạo quân chủ lực do Vương Thông chỉ huy đến Tốt Động thì quân ta bắn pháo hiệu đánh lừa địch. Quân địch nghe tiếng pháo hiệu tưởng là pháo hiệu của cánh kỵ binh nên đổ xô chiếm những địa điểm thuận lợi, nhưng kỳ thực chúng đã bị lọt vào trận địa mai phục của ta. Khi tiến quân địch tới Tốt Động và hậu quân đã qua sông Ninh Giang, quân mai phục của ta đồng loạt xông ra đánh mãnh liệt. Phần lớn quân địch bị dồn vào cánh đồng lầy lội và bị chia cắt, bị tiêu diệt hết bộ phận này đến bộ phận khác. Bị đánh quá ngờ, địch rổi loạn, hoảng hốt, gần như mất khả năng chiến đấu. Từ những lùm cây, quân ta dùng giáo mác, lao, cung, nỏ giết hàng loạt quân địch. Tổng binh Vương Thông bất lực hoàn toàn và bản thân y cũng bị một mũi tên xuyên vào cạnh sườn. Thượng thư Trấn Hiệp bị giết. Đến chiều, bộ phận tiền quân của địch bị quân ta đập tan, hàng vạn tên địch bỏ xác trên chiến địa, nhiều khối quân địch chưa bị đánh đã tan vỡ và mất hết tinh thần chiến đấu. Vương Thông và các tướng lĩnh sống sót tìm đường chạy về Ninh Kiều rồi ra lệnh cho cánh kỳ binh rút chạy. Trong khi đó, trung quân và hậu quân của địch ùn lại trên quãng đường từ Tốt Động tới Chúc Động cũng nhốn nháo tìm đường rút lui.
Quân ta xông lên đánh đòn quyết định vào cánh kỳ binh và hậu quân của cánh chính binh, cùng với số quân vừa thoát chết ở Tốt Động chạy về. Từ núi Ninh Sơn, Trúc Sơn và các cánh đồng hai bên đường quân ta xông ra đánh chặn ngang đường rút quân của địch, chia cắt chúng thành nhiều mảnh để tiêu diệt. Cầu Ninh Kiều lập tức bị quân ta phá và dòng sông thành chiến tuyến cản đường rút chạy về Đông Quan của địch. Hàng vạn tên địch bị tiêu diệt và bị bắt. Số sống sót phải khó khăn lắm mới thoát chết cùng Vương Thông, Mã Kỳ, Phương Chính chạy về Đông Quan. Sự thất bại thảm hại của đạo quân viện binh làm cho quân Minh phải co cụm về thành Đông Quan và một số thành lũy khác, liều chết cố thủ chờ viện binh tới.
Được tin thắng trận Tốt Động - Chúc Động, chủ tướng Lê Lợi cùng Nguyễn Trãi và bộ chỉ huy đang ở Thanh Hóa tiến ra Bắc để trực tiếp chỉ huy đạo quân vây thành Đông Quan và mở cuộc tiến công dồn dập vào các thành lũy của địch, dụ hàng thành Nghệ An, Diễn Châu, Tam Giang và một số thành khác. Cuộc khởi nghĩa Lam Sơn đã tiến lên giai đoạn hoàn toàn chủ động và vây hãm địch trên toàn bộ chiến trường. Và kết cục tất yếu là chiến lược vây thành - diệt viện, đưa cuộc khởi nghĩa đến thành công, đồng thời cũng kết thúc thắng lợi cuộc chiến tranh giải phóng vào đầu năm 1428.
