次日黎明，明军搜索到了捕鱼儿海的南岸，但此地空无一人，部队停了下来。"少憇饮马"。好消息突然来临，蓝玉从巡逻骑兵那里得到情报，确定北元小朝廷在捕鱼儿海东北方向八十余里之外，便马上下令求战心切的王弼为先锋，"衔枚卷甲"，直扑其营。 脱古思贴木儿与身边的臣子们自以为明军不熟悉地形，难以找到水源的位置，决不会这么快杀到，因而防备疏松。宿营之地里面的士卒正在牵马备鞍，整理辎重，把一大批车辆的车头都转向北方，准备转移。偏偏在这个时候扬起了大风，沙尘满地，白昼如晦，对明军起到了很好的掩护作用。王弼提着双刀带兵神不知鬼不觉地悄悄接近，发起突然袭击。骤不及防的北元军队来不及列阵，在混乱中死了数千人，另外有七万七千多人与四万七千匹战马被俘。此外，成为明军战利品的还有四千八百四十头骆驼、十一万二千四百五十二头牛羊、三千余辆各式车辆以及一大批后勤辎重。
北元小朝廷直属的中央禁卫军中的两员悍将，曾经参加过和林保卫战的太尉蛮子与太师哈剌章竭尽全力抵抗。其中蛮子被郭英当场挥刀杀死，而哈剌章的大营亦在十多天后被蓝玉击破，所部"一万五千八百三户"与"马驴四万八千一百五十余匹"被俘，哈剌章本人下落不明。这两个元朝老臣子昔日在和林并肩作战，死中求生，现在却在捕鱼儿海劫数难逃。中央禁卫军作为北元正规军的主力，终于在这次决战中基本上被明军全歼。而北元地方部队的主力脱因贴木儿所部也是螳臂当车，逃脱不了全军尽灭的命运。脱因贴木儿逃跑时坠于马下，不得不潜伏在草丛之间，但最终未能躲过明军将士的搜捕。此后，各种史料再也没有王保保旧部的任何记载，由此可知，这支依靠镇压红巾军起家的部队已经在捕鱼儿海与北元小朝廷一起完蛋。
北元主力既然遭到了毁灭性的打击，而北元朝小朝廷也未能幸免于难。大批皇室成员身陷囹圄，这些人员包括已故君主爱猷识理达腊的妻子、现任君主脱古思贴木儿的后妃及次子地保奴、公主等，成为阶下囚的各类达官贵人总共有二千九百九十九人。值得一提的是，明军还在捕鱼儿海俘虏了北元吴王朵儿只。朵儿只是成吉思汗同母弟哈赤温的后裔。他在世袭的封地上被俘，意味着成吉思汗亲自分封的哈赤温汗国遭到了毁灭性的打击。只有脱古思贴木儿、太子天保奴以及少数随从坐着数十匹战马乘乱逃出了包围圈。明军出动精骑追击千余里，都督余通渊所部一直打到了克鲁沦河，因追之不及，方才撤了回来。战斗结束后，蓝玉为了以防万一，下令那些披挂着铠甲的俘虏兵一律把它们从身上除下来。这样一来，各类铁甲、皮甲在地上堆成了一座座小山。明军一一放火焚毁，而蒙古铁骑的威名也伴随着各种盔甲在熊熊的火焰之中烟消云散，化为乌有。但这绝不等于历史悠久的蒙古骑兵从此销声匿迹，这支被打散了的游牧军队能否东山再起有待后人。明军放了这把冲天大火之后，遂班师。
捕鱼儿海之战，蒙元损失十万人左右。而明军的损失却是微不足道，据说是"不费寸兵，以收其效。"
