此时，刘诞见朝廷大军云集，便打算放弃广陵向北逃窜，他留下中兵参军申灵赐镇守广陵，自己率领数百名步兵骑兵，带着亲信随从，声称要出城作战，实则暗中取道海陵逃亡。沈庆之派遣龙骧将军武念率军追击。刘诞前行十余里后，部众都不愿继续逃亡，纷纷请求他返回城中。刘诞问道：“我返回城中容易，但你们能为我尽力作战吗？”众人一同许诺，刘诞于是折返广陵，修筑祭坛，与众人歃血盟誓，将府州所有文武官员的官职全部晋升一级。任命主簿刘琨之为中兵参军；刘琨之是刘遵考的儿子，他推辞道：“忠孝不能两全。我的老父亲尚在人世，不敢接受任命。”刘诞将他囚禁十多天，他始终不肯接受，最终被杀害。
这时，右卫将军垣护之、虎贲中郎将殷孝祖等人攻打北魏返回，途经广陵，孝武帝下令他们都接受沈庆之的调度。沈庆之进军扎营，逼近广陵城。刘诞派人给沈庆之送去食物，由一百多人提着从北门出城；沈庆之没有打开查看，直接下令将食物全部烧毁。刘诞在城楼上递交函件奏表，请求沈庆之代为转交朝廷，沈庆之说：“我接受诏令讨伐叛贼，不能为你转交奏表。你若真想向朝廷请罪伏诛，应当亲自打开城门派遣使者，我会派人护送你。”
就在这时，东扬州刺史颜竣遭遇母亲丧事，他护送灵柩返回都城，孝武帝对他的恩宠待遇依然优厚，但颜竣时常对亲友抱怨，有时还会议论朝廷的得失。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多次心怀怨恨、诽谤朝廷的言论。孝武帝于是派御史中丞庾微之弹劾颜竣，将其免职。这时，颜竣愈发恐惧了，便主动上书谢罪，请求保全性命；孝武帝却更加愤怒了，下诏答复说：“你讥讽指责、心怀怨恨，早已辜负了我对你的期望；如今又过度烦扰思虑，担心自身难保，这难道是下属侍奉君主应有的忠诚气节吗！”等到竟陵王刘诞谋反时，孝武帝便诬陷颜竣与刘诞勾结通谋，五月，将颜竣逮捕交付廷尉，先打断他的双脚，然后赐死。他的妻子儿女被流放到交州，行至宫亭湖时，孝武帝又下令将其中的男性全部沉入湖中淹死。
六月十二日，北魏国主前往阴山。
这时，孝武帝命令沈庆之在桑里设置三座烽火台，规定：攻克外城举一道烽火，攻克内城举两道烽火，擒获刘诞举三道烽火；同时接连不断地派使者携带玺书督促进军。沈庆之焚毁广陵东门，填塞护城河，修筑攻城道路，建造移动城楼、土山以及各类攻城器械，恰逢连日大雨，无法攻城。孝武帝派御史中丞庾微之上奏请求罢免沈庆之的官职，随即又下诏不予追究，以此激励他。从四月到秋季七月，大雨停止，广陵城仍未攻克。孝武帝大怒，命令太史选择吉日，打算亲自渡江讨伐刘诞；太宰刘义恭极力劝谏，孝武帝这才作罢。
刘诞最初关闭城门拒绝朝廷使者时，记室参军山阴人贺弼曾极力劝谏，刘诞发怒，抽出刀对着他，贺弼才停止劝说。刘诞派兵出城作战，屡次战败，手下将领官吏大多翻越城墙出城投降。有人劝贺弼尽早出城归顺，贺弼说：“主公起兵对抗朝廷，此事我不能顺从；但我蒙受主公的厚恩，道义上也不能背叛他，唯有以死表明忠心罢了！”于是服毒自杀。参军何康之等人谋划打开城门迎接官军，但是未能成功，只好冲破关卡出城投降。刘诞建造高楼，将何康之的母亲安置在上面，让她暴露在烈日之下，不给食物；何母呼喊着何康之的名字，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、妻子儿女都在城内，有人对他说：“事情必定无法成功，你何不趁早逃走？”范义说：“我是君主的官吏；作为儿子不能抛弃母亲，作为官吏不能背叛君主。如果像何康之那样苟活，我不愿做这样的事。”
沈庆之率领部众攻城，身先士卒，亲自冒着箭雨石块冲锋，七月初二，攻克广陵外城；乘胜进军，又攻克内城的小城。刘诞听闻官军入城，便逃往后园，队主沈胤之等人追上他，将其击伤，刘诞坠入水中，被士兵拉出后斩首。他的母亲、妻子都自杀身亡。
孝武帝听闻广陵叛乱被平定，便亲自走出宣阳门，下令左右侍从高呼万岁。侍中蔡兴宗陪同在御辇旁，孝武帝回头问道：“你为何独自不呼万岁？”蔡兴宗神色严肃地回答：“陛下今日本该为诛杀叛贼而痛心流泪，怎能让众人都高呼万岁呢！”孝武帝听后面露不悦。
随后，朝廷下诏，将刘诞的姓氏贬为留氏，广陵城中的官吏百姓，无论年纪大小全部下令处死。沈庆之请求赦免身高五尺以下的孩童，其余男子全部处死，女子充作军中赏赐；即便如此，仍有三千多人被杀害。长水校尉宗越负责执行处决，他先将囚犯开膛破肚、挖出眼珠，或抽打面部、鞭打腹部，再用苦酒浇灌伤口，然后才斩首，宗越面对这一切，却面露喜色，仿佛有所收获。孝武帝下令将死者的头颅收集起来，在石头城南岸堆积成京观（骷髅台），侍中沈怀文劝谏，孝武帝不听。起初，刘诞自知必将失败，便派黄门吕昙济与平日亲信带着世子刘景粹藏匿在民间，并嘱咐他们：“如果事情不成，就尽量保全性命；如果无法幸免，就将他深埋地下。”并分别赐予他们金银珠宝作为路费。众人出城后，纷纷四散逃走；只有吕昙济没有离开，背着刘景粹躲藏了十多天，最终被捕获，两人一同被斩首。
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