1865年4月初，捻军进入山东，经曹县、定陶、城武、嘉祥、汶上、宁阳进抵曲阜。僧军仍在后紧追。山东巡抚阎敬铭派布政使丁宝桢率本省防军进入兖州，妄图夹击捻军。为了继续疲惫敌军，捻军北趋宁阳、东平，途中击败总兵范正坦部后，继续北上东阿、平阴、肥城，然后转头南下宁阳、兖州、邹县、滕县、峄县，经兰山、郯城进入江苏的赣榆、海州、沭阳。5月3日，又由邳州返回郯城，西走峄县，在临城(今枣庄市西薛城)附近击败丁宝桢部后，北上宁阳、汶上。
1865年5月10日过运河进至范县(今河南范县东)南面的罗家楼、濮州(今河南濮城)东南的箕山一带，最后进至黄河水套地区(黄河水套是1855年黄河在考城铜瓦厢决口后在濮州、范县以南和郓城西北一带形成的一个河汊众多的地区)。隐蔽在这里的各地起义失散人员纷纷参军，使捻军人数众达数万。然后，捻军驰抵菏泽西北高楼寨地区，等待僧军。而这时的僧军已被捻军拖得极度疲惫，僧格林沁本人也因几十天不离马鞍，疲劳得连马缰都拿不住，只得用布带拴在肩上驭马。
1865年5月17日，僧格林沁率军追至高楼寨之南的解元集地区，张宗禹派出少数部队迎战，命任柱、张琢并力冲击，诱使僧军向高楼寨地区深入。18日中午，僧军进至高楼寨，埋伏在高楼寨以北村庄、河堰、柳林中的捻军一齐出击。僧格林沁分兵三路：翼长诺林丕勒、副都统托伦布等率左翼马队，总兵陈国瑞、何建鳌各领本部步队为西路;副都统成保、乌尔图那逊等领右翼马队，总兵郭宝昌率本部步队为东路;副都统常星阿、温德勒克西等各领马队为中路。捻军也分三路迎战。西路鏖战二小时左右，捻军稍却。适中路捻军已将常星阿部击溃，便支援西路捻军向敌人发起反击，将西路清军歼灭。与此同时，东路捻军也已将敌军击溃。在后督队的僧格林沁只得率残部退入高楼寨南面的一个荒圩，捻军乘胜追击，将该圩团团包围，并在圩外挖掘长壕，防止敌人突围。当夜三更，僧格林沁率少数随从冒死突围，当逃至菏泽西北7.5公里的吴家店时，被一捻军战士砍死在麦田。这一仗，捻军全歼僧格林沁以下7000余人，取得重大胜利。
战役结果
捻军全歼僧格林沁以下7000余人，取得重大胜利。