右卫将军垣护之、虎贲中郎将殷孝祖等人攻打北魏返回，抵达广陵，孝武帝让他们都接受沈庆之的指挥。沈庆之推进营垒，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城；沈庆之不打开查看，把食物全部烧掉。刘诞在城上递下书信奏表，请求沈庆之代为呈送，沈庆之说：“我接受诏令讨伐叛贼，不能为你送奏表。你如果真想向朝廷请罪，应当自己打开城门派使者来，我会为你护送使者。”
东扬州刺史颜竣遭遇母亲丧事，送丧返回都城，孝武帝对他的恩宠待遇仍很优厚，但颜竣时常对亲友抱怨，有时还谈及朝廷的得失。恰逢王僧达获罪，王僧达怀疑是颜竣诬陷自己；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，免去他的官职。颜竣更加恐惧，上奏表认错道歉，请求保全性命；孝武帝更加愤怒，下诏回复说：“你诽谤指责、心怀怨恨，已经辜负了我原本的期望；现在又过度忧虑，担心不能自保，这难道是下属侍奉君主应有的忠诚气节吗！” 等到竟陵王刘诞反叛，孝武帝就诬陷颜竣与刘诞串通，五月，逮捕颜竣交付廷尉，先打断他的脚，然后赐他自杀。颜竣的妻子儿女被流放到交州，走到宫亭湖时，孝武帝又下令把其中的男子都沉入湖中淹死。
六月戊申日，北魏皇帝前往阴山。
孝武帝命令沈庆之在桑里设置三个烽火台，规定：攻克外城就点燃一处烽火，攻克内城点燃两处，擒获刘诞点燃三处；还接连不断地派使者携带玺书催促攻城。沈庆之烧毁广陵东门，填平壕沟，修筑攻城道路，建造可移动的楼车、土山以及各种攻城器具，却恰逢长时间下雨，无法攻城。孝武帝让御史中丞庾微之上奏请求免去沈庆之的官职，又下诏不予追究，想用这种方式激励他。从四月到秋季七月，雨停了，广陵城仍未攻克。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，孝武帝才作罢。
刘诞最初关闭城门拒绝朝廷使者时，记室参军山阴人贺弼坚决劝谏，刘诞发怒，抽刀对着他，贺弼才停止。刘诞派兵出城作战，多次战败，将领僚属大多翻越城墙投降。有人劝贺弼早点出城投降，贺弼说：“刘公起兵对抗朝廷，这事我不能顺从；但我蒙受他的厚恩，道义上也不能背叛他，只能以死表明心意！” 于是服毒自杀。参军何康之等人谋划打开城门接纳朝廷军队，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上面，让她暴露在外面，不给食物；何母呼唤何康之，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、妻子儿女都在广陵城内，有人对范义说：“事情肯定不能成功，你难道不逃走吗？” 范义说：“我是人家的下属官吏；作为儿子不能抛弃母亲，作为官吏不能背叛君主。如果一定要像何康之那样才能活下去，我不会做这种事。”
沈庆之率领部众攻城，身先士卒，亲自冒着箭雨石块冲锋，乙巳日，攻克广陵外城；乘胜进军，又攻克内城的小城。刘诞听说朝廷军队入城，逃往后园，队主沈胤之等人追上他，击伤刘诞，刘诞坠入水中，士兵把他拉出来，斩杀了他。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，命令左右侍从都高呼万岁。侍中蔡兴宗陪同乘车，孝武帝回头问他：“你为什么偏偏不喊？” 蔡兴宗神色严肃地说：“陛下今天正应该为诛杀叛贼而流泪，怎么能都高呼万岁呢！” 孝武帝不高兴。
孝武帝下诏把刘诞的姓改为 “留” 氏，广陵城中的官民，无论老少全部下令处死。沈庆之请求保全五尺以下的儿童，其余男子全部处死，女子赏给军人做奴婢；即便如此，还是杀了三千多人。长水校尉宗越负责执行死刑，他让囚犯先被开膛挖眼，有的被抽打脸部、腹部，再用苦酒浇灌伤口，然后才斩首，宗越面对这些惨状，却得意洋洋，好像有所收获。孝武帝把死者的首级聚集在石头城南岸筑成 “京观”（展示战功的高冢），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匿在民间，对他们说：“事情如果不成功，就想办法保全刘景粹；如果终究不能幸免，就把他深埋起来。” 还分别给他们金银珠宝作为路费。这些人走出城门后，就四散逃走；只有吕昙济没离开，带着刘景粹躲藏了十几天，最终被抓获，两人都被斩首。
临川内史羊璿因平时与刘诞关系好，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劳军队。他与范义一向交好，就收敛范义的尸体，送丧返回豫章。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！” 孝武帝面露惭愧之色。
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