起义初期
唐咸通六年八月，唐廷闻信后，遣中使高晶张敬思，赦免戍兵之罪，并答应送还徐州。到了湖南，张敬思设计引有义军放下武器，可是山南东道节度使崔铉又严兵把守要害，引起庞勋等人的怀疑。大家认为，朝廷所以赦免，是害怕在路上消灭不了义军，溃散为患，如果到了徐州，必然会下毒手的。于是，拿出个人钱财，打造甲兵贺帜，重新武装起来，乘船东下，过浙西进入淮南。淮南节度使令狐绚因没有命令诛讨，遣使慰劳，送来军粮饲料。庞勋乘机召集散落在乡间的银刀军等士兵藏于船中，众至千人。这期间，朝廷屡次令崔彦曾慰抚戍兵以免生疑，等待时机消灭。
九月二十七日，庞勋等至泗州(治临淮，今江苏盱眙西北)。
二十八日，至徐城，庞勋、许佶等对戍兵们说：我们擅自北归，无非思念妻子儿女。听说有密敕颁下徐州本军，等我们到后就要杀身灭族，大丈夫与其自投罗网，为天下人耻笑，不如同心协力，赴汤蹈火，不但可以免祸，而且可求富贵。众人踊跃称好。
十月，庞勋再递申状，要求把都押牙尹勘、教练使杜璋、兵马使徐行俭这三个大家痛恨的军将罢职，并要求让北还将士别置二营，共为一将，以保持自己的独立。崔彦曾接申状后与诸将相商，决定进讨庞勋，遂命都虞侯元密为将，率兵3000人讨征庞勋，同时命宿、洄二州出兵邀击。元密军到任山，庞勋在山下列假人疑阵，悄然向符离方向进发。黑夜官军才发觉，但恐埋伏，退兵城南，待天明才去追赶。这时，庞勋军已达符离，和宿州兵500人奋战在濉水上，官军一触即溃，望风奔逃，庞勋直捣宿州。而宿州当时由观察副使焦璐代摄州事，城里已没有军士，只好逃走。
起义中期
庞勋军进宿州城后，散发财米，选募壮丁，一日之中，四面云集，得数千人，庞勋于是分兵守城，自称兵马留后。第二天，元密率军赶到，驻营城外，庞勋用火箭色燃城外茅舍，火势延及官军营帐，庞勋军杀出城来，一阵突然袭击，消灭官兵近300人，返回城中。黑夜，城里民众协助守城，妇女持鼓打更，庞勋集中城里大船只300艘，装满资粮，顺流而下。及至天明，官军才知庞勋已去，狼狈追赶，连早饭也没吃，追及时人人饥乏，这时却见庞勋军船只列于堤下，岸上几队兵士发现官军来到，纷纷躲入堤坡。元密以为庞勋临阵畏缩，驱兵进击。不料庞勋军一路从舟中杀出，一路从堤坡间杀出，两路夹攻，从中午杀到傍晚，官军大败。元密引兵败退，陷入菏泽，庞勋军追到，元密等诸将死于乱军之中，士卒死约1000人，其余投降庞勋军。庞勋探问降卒，得知徐州空虚，立即引兵北渡濉水，迂山进攻徐州。
这时，崔彦曾才知元密兵败，急向邻道求援，关起城门，选拔丁壮守备，无奈全城惊慌，已无固志。十月十七日，庞勋军六七千人，已到城下，杀声震天。庞勋军对城外居民好言劝慰，毫不扰侵，得到人民拥护和帮助，攻下徐州城，俘崔彦曾、焦璐等人，杀尹勘、杜璋、徐行俭等人，庞勋军声名大震，徐州城中愿附从者万余人。
起义高潮
庞勋遂以许佶为都虞侯，赵可立为都游弈使，其余各补牙职，分领诸军。一面派遣押牙张琯奉表到京师为自己请封节度使，一面分兵出击。旧将刘行及率1500人进军濠州(今安徽凤阳)，一路上归附倍增，刺史卢望回开门欢迎。李园率2000人攻打泗州(今安徽泗县)，兵临城下，李园派经兵百人，先行入城封府库，泗州刺史杜慆假意迎接慰劳，有之进城尽行诛杀。第二天李园引兵围城，城上箭石齐发如雨，李园军死数百，退兵城西。庞勋考虑到泗州当江淮要冲，地处险要，便发兵助圆攻城，泗州都押牙李雅守备有略，四出迎击，终没有攻破，不久，庞勋便以吴迥代李园，昼夜不息攻城。泗州团练判官辛谠冒死突围出城求援，当时敕使郭厚本领淮南兵1500人救援泗州，住在洪泽不敢贸然前进。辛谠求得救兵而还。庞勋再派许佶率经兵几千助吴迥攻城，刘行及也从濠州遣其将王弘立引兵会战泗州，形成了“围城打援”之势。
十一月二十九日，镇海节度使杜审权派都头翟行约率4000人救泗州，次日，翟行约军在淮南被庞勋军消灭。淮南都押牙李湘率军数千，与郭厚本、淮南都将袁公弁合兵屯驻都梁城(江苏盱眙北)，与泗州隔淮相望。庞勋军既破翟行约，乘夜潜师渡淮，包围了都梁城。十二月初五，李湘等引兵出战，庞勋军大败其军，攻占都梁城，活捉李湘、郭厚本等人。庞勋进占淮口，控制了江淮运输线。唐廷以右金吾卫大将军康承训为义成节度使、徐州行营都招讨使，神武大将军王晏权为徐州北面行营招讨使，羽林将军戴可师为徐州南面行营招讨使，大发诸道兵及沙陀朱邪赤心和吐谷浑、达靼、契苾部落兵镇压庞勋。当时康承训见诸道兵已至者不足万人，众寡不敌，退屯宋州。庞勋遣将分兵，南攻舒、庐，北进沂、海，破沭阳、下蔡、乌江、巢县(今安徽巢湖)，占滁州、克和州，农民争起响应，军势强盛，发展到20万人，至此，庞勋领导的桂州戍兵兵变，已发展为广大农民等参加的农民起义。
戴可师率兵3万渡过淮河，转战向前，衣夺淮口，义军乘夜退出都梁城，留给可师一座空城。恰巧第二天大雾，义军将领王弘立引兵数万以迅雷不及掩耳之势，突然杀回，官军四散逃窜，被淮河淹死无数，歼灭官兵2万余名，戴可师单骑出奔也被击毙。
义军大获全胜，缴获器械、资粮、车马数以万计。义军乘胜围攻寿州(今安徽寿县)，获诸道贡品及商货无数(当时因义军控制淮口，江淮往来改出寿州)。王晏权时在寿州，因屡为义军所败，退缩不敢出战。朝廷遂命泰宁节度使曹翔代其为徐州北面招讨使。
义军衰落
这时，庞勋自以为无敌于天下，日事游宴，谋士劝他不听，尤其是同他在桂州举兵的将领更为骄暴，夺人资财，掠人妇女。
咸通十年(869年)正月，康承训率诸道军7万余人自宋州进据柳子镇西，自新兴至鹿塘连营30里。义军分兵四守。徐州留守不过几千人，形势紧急，庞勋调四处义军保守徐州。丰县义军守将孟敬文心怀异谋，适逢魏博节度使何全皋遣将薛尤领兵3000攻打丰县，孟敬文败走，庞勋将其有归杀死。进攻海州(今江苏连云港)、寿州的义军，也为官军所败，损将折兵数千人。
二月，康承训使朱邪赤心领沙陀3000骑兵为前锋，冲锋陷阵。这些沙陀骑兵骁勇善战、屡败义军，B近徐州。义军将领王弘立自淮口回徐州，愿率部众3万迎战康承训。庞勋即令他出渡濉水往捣鹿头寨。王弘立率部昼夜进袭，潜在寨边，将寨团团围住，寨中沙陀铁骑，纵横驰骋，冲散了义军阵势。寨中诸道官军，又争出奋击，王弘立败退。官军追到濉水，又淹溺无数，义军损失2万余人。许多来自农民的义军士兵败走山谷，不复还营。当时朝廷有敕令，诸道官军俘农民皆释放以分化瓦解义军。这一条政策对义军影响甚大，自是每与官军遇，不少义军先自溃。
三月，康承训既破王弘立，进B柳子镇，与义军姚周部一月之间数十战，周引兵渡涣水，官军乘机袭击。义军退走，官军追赶，围住柳子镇，时值大风，官军四面纵火，义军弃寨而走，沙陀骑兵中途邀截屠杀，全军覆没。姚周只带几十人逃奔宿州，却因与宿州守将梁丕有隙，竟被惨杀。庞勋闻讯大惊，与许佶相议，衣自将出战，谋士周重献计说，柳子寨地要兵经，姚周亦勇敢有谋，今一日覆没，危如累卵，不如速建大号，悉兵四出，决力死战。于是更造旗帜，选丁3万，许佶等共推庞勋为天册将军。以其父庞举直为大司马，与许佶等留守徐州，庞勋亲自率麾下出城，夜入丰县城，时魏博军正围攻丰县，竟不得知。庞勋纵兵围住近城军寨，诸寨来救。又伏兵要路杀官军2000。
泗州之围
官军听说庞勋自来，畏其势众，当夜溃退。当时曹翔方围滕县，听到魏博军败，引兵退保兖州。义军毁其城栅，运其资粮，声势复振。庞勋乘丰县之胜，引兵五、六万西击康承训，康承训秣马整众，暗设伏兵，义军前部中伏败退，庞勋率后部到来，正遇前队败还，不战而溃。官军以骑兵邀前，步兵击后，庞勋败遁彭城仅数千人，义军死数万人。
五月，新上任的徐州南面行营招讨使马举率经兵3万驰援泗州，兵分三路渡淮。围攻泗州的义军不知来军众寡，收兵城西，马举就兵围寨，纵火烧栅，义军大败，死数千人。王弘立战死，吴迥退保徐城。泗州之围七个月，至此解围。
六月，马举自泗州出兵攻濠州，义军将领刘行及在城外设寨拒守，马举先派轻骑挑战寨西，待义军出战却引大军数万侧西迂回攻击东南，尽烧其寨，义军入城固守。庞勋闻讯遣吴迥助刘行及守城，屯兵北津以相应。马举派兵渡过淮河攻击，义军又损失数干人。营寨也被夷平。
这时，唐王朝又诏黔中观察使秦匡谋参与围剿义军，以神策将军宋威为徐州西北面诏讨使，将兵3万屯于丰县与萧县之间，曹翔引兵相会，共同进B徐州。
七月，康承训攻克临涣(今安徽濉溪临涣集)，连拔襄城、留武、小睢等寨。曹翔占领滕县，进击丰县、汴县。在官军步步B近的请况下，义军内部矛盾日益暴露。一些义军叛逃，退据山林，反劫杀义军。蕲县(今安徽宿州南)土豪李兖竟杀义军守将降于康承训。康承训乘胜长驱，拔第城，进抵宿州西，筑城围困宿州。义军将领张儒、张实等领兵数万列垒相望，环水自固，抗拒官军。张实修书派人夜潜徐州，向庞勋建议：“宜引兵出其不意，掠宋、亳之郊，彼必解围而西，将军设伏要害，迎击其前，实等出城中兵蹙其后，破之必矣”，庞勋采纳其策，令庞举直与许佶镇守徐州，亲率义军2万西征。八月，康承训焚毁宿州外寨，义军退保罗城，官军攻城，死伤数千人不能克。康承训见硬攻不行，改派“辩士”在城下喊话招谕。把守子城的义军将领张玄稔，原为徐州旧将，见官军攻城日紧，宿州危急，连夜召集心腹谋降，派亲信张皋深夜出城给康承训送去降书。约其杀将，举城投降，以青旗为号内应外合。九月初三，张儒等正在柳溪亭饮酒，张玄稔突然勒兵于亭前，杀害了张儒等人开门出降，宿州陷落。
徐州陷落
接着张玄稔又向康承训献计;“今举城归国，四远未知，请诈为城陷，引众趋符离及徐州，贼党不疑，可尽擒也”。便纵火焚宿州为城陷军溃之状，引兵至符离，义军不知其诈，张玄稔杀守将，收兵万人。初七，到徐州，围而不攻，先向城里发起政治攻势，潜藏在城里的间细路审中原为崔彦曾故吏，此时打开城门，引官兵入城。庞举直、许佶率领义军将士退守子城，坚守到当天太阳偏西，从北门突围，张玄稔派兵追杀，庞举直、许佶战死，其余将士英勇不屈，多赴水而死。城中所有桂州戍卒亲族，都被搜捕，斩尽杀绝，死数千人。庞勋在与康承训的作战中失利，唐朝继续增兵，由神策军将军宋留为西北面招讨使，官兵主力进B徐州。庞勋率兵2万自石山西出后，奔袭宋州，攻陷南城，渡汴河南攻亳州。
康承训引步骑8万西击，使朱邪赤心领数千骑兵为前锋尾追到亳州，庞勋引兵沿涣水而东，将归徐州，被沙陀兵所B，不暇饮食，转至蕲县将渡涣水，唐将李兖毁桥勒兵挡住去路，后面官军大集，九月初九庞勋至县西，率领将士忍饥抗敌，英勇战死，近万名义军捐躯，其余几乎全部投水溺死。宋威攻取萧县，宿廷等寨降于官军。惟有濠州义军吴迥孤军奋战，直到十月城中粮尽，吴迥率部突围，死于招义，其余部众被官军追兵杀获殆尽。起义军占据的城镇纷纷失守。庞勋在与康承训的作战中失利，唐朝继续增兵，由神策军将军宋留为西北面招讨使，官兵主力进B徐州。
起义失败
庞勋攻打宋州失利，准备转攻亳州，途中遭到沙陀骑兵追击。他衣折道返回彭城，却被沙陀骑兵追上，遂全军覆，庞勋在突围中战死，时为咸通十年(869年)九月，至此，庞勋起义失败。
历史评价
庞勋起义前后一年零两个月，是唐末继裘甫起义之后的又一次大规模农民反抗斗争，是对唐朝统治的又一次沉重打击。为接踵而至的王仙芝、黄巢起义作出了积极的准备(参见王仙芝起义、黄巢起义)。
史论：“唐亡于黄巢而祸基于桂林”，是对庞勋起义在唐末农民起义和农民战争史上的重要地位的中肯评论。
桂林戍卒的哗变引发的武装起义最终造成了数十万的死亡，财产损失更是难以计量。如果唐朝统治者多一点宽厚仁政的话，这是一次本来可以被避免掉的大起义。这一场浩劫给腐朽的外强中干的唐王朝以致命一击，同时，它又像黑暗之中的一盏明灯，继续鼓舞和照亮其他被压迫的穷苦人民起来斗争!
宋祁在《新唐书·南诏传》中总结唐朝灭亡的教训，有一句评价：“唐亡于黄巢，而祸基于桂林。”此处“桂林”二字，即指八百名远戍桂林的徐州远征军强行返乡所引发的“庞勋之乱”。故事发生在868年，唐廷动用了十几万军队、耗时一年才平定这场叛乱，其余党的身影却在此后的王仙芝和黄巢等人的叛乱中时时闪现，直至40年后帝国崩溃。
战争影响
庞勋起义前后一年零两个月，是唐末继裘甫起义之后的又一次大规模农民反抗斗争，是对唐朝统治的又一次沉重打击。为接踵而至的王仙芝、黄巢起义作出了积极的准备，史论：“唐亡于黄巢而祸基于桂林”，是对庞勋起义在唐末农民起义和农民战争史上的重要地位的中肯评论。
