右卫将军垣护之、虎贲中郎将殷孝祖等人攻打北魏返回，到达广陵，孝武帝让他们都接受沈庆之的指挥。沈庆之进军扎营，逼近广陵城。刘诞派人给沈庆之送食物，由一百多人提着从北门出来；沈庆之不打开查看，把食物全部烧了。刘诞在城楼上递出书信和奏表，请求沈庆之帮忙送去朝廷，沈庆之说：“我接受诏令讨伐叛贼，不能为你送奏表。你如果真想向朝廷认罪求死，就该自己打开城门派使者去，我会为你护送使者。”
东扬州刺史颜竣因母亲去世离职，送丧返回都城，孝武帝对他的恩宠待遇仍然优厚，但颜竣当时对亲友常有怨言，有时还谈及朝廷的得失。恰逢王僧达获罪，怀疑是颜竣诬陷自己；王僧达临死前，详细陈述了颜竣前后抱怨、诽谤朝廷的话。孝武帝于是让御史中丞庾微之上奏弹劾颜竣，免去颜竣的官职。颜竣更加恐惧，上奏表向孝武帝认错道歉，并且请求保全性命；孝武帝更加愤怒，下诏答复说：“你讥讽指责、心怀怨恨，已经辜负了我原本对你的期望；现在又过度烦扰思虑，担心自己不能保全，这难道是下属侍奉君主的忠诚气节吗！”等到竟陵王刘诞反叛，孝武帝就诬陷颜竣和刘诞同谋，五月，逮捕颜竣交给廷尉，先打断他的脚，然后赐他死。颜竣的妻子儿女被流放到交州，到达宫亭湖时，又把他的儿子们沉到湖里淹死。
六月十二日，北魏国主前往阴山。
孝武帝命令沈庆之在桑里设置三座烽火台，规定如果攻克广陵外城，就点燃一座烽火；攻克内城，点燃两座烽火；擒获刘诞，点燃三座烽火。孝武帝用加盖玉玺的诏书督促沈庆之进军，诏书前后接连不断。沈庆之烧毁广陵东门，填平护城河，修筑攻城道路，建造可移动的城楼、土山以及各种攻城器具，却遇到长时间下雨，不能攻城。孝武帝让御史中丞庾微之上奏请求罢免沈庆之的官职，又下诏不追究，用这种方式激励他。从四月到秋季七月，雨停了，广陵城还是没能攻克。孝武帝发怒，命令太史选择日期，准备亲自渡过长江讨伐刘诞；太宰刘义恭坚决劝谏，孝武帝才停止。
刘诞当初关闭城门抗拒朝廷使者时，记室参军山阴人贺弼坚决劝谏，刘诞发怒，拔刀对着他，贺弼才停止劝谏。刘诞派兵出城作战，多次战败，部将和僚属大多翻越城墙出城投降。有人劝贺弼应该早点出城投降，贺弼说：“刘公起兵对抗朝廷，这事我既然不能顺从；但我蒙受刘公的厚恩，从道义上也不能背叛他，只能以死表明我的心意！”于是喝下毒药自杀。参军何康之等人谋划打开城门迎接朝廷军队，没能成功，就冲破关卡出城投降。刘诞建造高楼，把何康之的母亲放在楼上，让她暴露在外面，不给她食物；何康之的母亲呼喊何康之，几天后饿死。刘诞任命中军长济阳人范义为左司马。范义的母亲、妻子和儿女都在广陵城里，有人对范义说：“事情肯定不能成功，你还是逃走吧！”范义说：“我是人家的官吏；做儿子不能抛弃母亲，做官吏不能背叛君主。如果一定要像何康之那样才能活下来，我不会做这种事。”
沈庆之率领部众攻打广陵城，亲自冲锋在前，冒着箭雨和石块作战。七月初二，攻克广陵外城；又乘胜进军，攻克内城的小城。刘诞听说朝廷军队入城，逃往后花园，队主沈胤之等人追上他，击伤刘诞，刘诞掉入水中，士兵把他拉出来后斩杀。刘诞的母亲、妻子都自杀了。
孝武帝听说广陵平定，走出宣阳门，命令身边侍从都高呼万岁。侍中蔡兴宗陪同乘车，孝武帝回头问他：“你为什么唯独不喊？”蔡兴宗神色严肃地说：“陛下今天本该为诛杀叛贼而落泪，怎么能都高呼万岁呢！”孝武帝很不高兴。
朝廷下诏将刘诞的姓氏贬为“留”氏，广陵城里的官员百姓，无论老少全部下令处死。沈庆之请求保全五尺高以下的儿童，其余男子都处死，女子充作军中赏赐；即便如此，还是杀了三千多人。长水校尉宗越负责处决，他总是先把人开膛挖眼，或者抽打面部、鞭打腹部，再用苦酒浇灌伤口，然后才斩杀，宗越面对这些惨状，却面露喜色，好像有所收获。孝武帝把死者的头颅收集到石头城南岸堆成“京观”，侍中沈怀文劝谏，孝武帝不听。起初，刘诞自知将要失败，派黄门吕昙济和身边一向信任的人带着世子刘景粹藏在民间，对他们说：“如果事情不成，你们要想法保全刘景粹；如果实在不能幸免，就把他深埋起来。”又分别给他们金银珠宝作为资助。这些人出门后，都四散逃走；只有吕昙济没离开，带着刘景粹躲藏了十几天，最终被抓获，两人都被斩杀。
临川内史羊璿因平时和刘诞关系好而获罪，被关进监狱处死。
朝廷提拔梁旷为后将军，追赠刘琨之为给事黄门侍郎。
蔡兴宗奉诏前往广陵慰问军民。他和范义一向交好，就收殓范义的尸体，送回豫章安葬。孝武帝对他说：“你怎么敢故意触犯朝廷法令？”蔡兴宗直言回答：“陛下自己诛杀叛贼，臣自己安葬老朋友，有什么不可以的！”孝武帝面露惭愧。
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