遞交函件奏表，請求沈慶之代為轉交朝廷，沈慶之說：“我接受詔令討伐叛賊，不能為你轉交奏表。你若真想向朝廷請罪伏誅，應當親自打開城門派遣使者，我會派人護送你。”
就在這時，東揚州刺史顏竣遭遇母親喪事，他護送靈柩返回都城，孝武帝對他的恩寵待遇依然優厚，但顏竣時常對親友抱怨，有時還會議論朝廷的得失。恰逢王僧達獲罪，懷疑是顏竣誣陷自己；王僧達臨死前，詳細陳述了顏竣前後多次心懷怨恨、誹謗朝廷的言論。孝武帝於是派禦史中丞庾微之彈劾顏竣，將其免職。這時，顏竣愈發恐懼了，便主動上書謝罪，請求保全性命；孝武帝卻更加憤怒了，下詔答複說：“你譏諷指責、心懷怨恨，早已辜負了我對你的期望；如今又過度煩擾思慮，擔心自身難保，這難道是下屬侍奉君主應有的忠誠氣節嗎！”等到竟陵王劉誕謀反時，孝武帝便誣陷顏竣與劉誕勾結通謀，五月，將顏竣逮捕交付廷尉，先打斷他的雙腳，然後賜死。他的妻子兒女被流放到交州，行至宮亭湖時，孝武帝又下令將其中的男性全部沉入湖中淹死。
六月十二日，北魏國主前往陰山。
這時，孝武帝命令沈慶之在桑裡設置三座烽火台，規定：攻克外城舉一道烽火，攻克內城舉兩道烽火，擒獲劉誕舉三道烽火；同時接連不斷地派使者攜帶璽書督促進軍。沈慶之焚毀廣陵東門，填塞護城河，修築攻城道路，建造移動城樓、土山以及各類攻城器械，恰逢連日大雨，無法攻城。孝武帝派禦史中丞庾微之上奏請求罷免沈慶之的官職，隨即又下詔不予追究，以此激勵他。從四月到秋季七月，大雨停止，廣陵城仍未攻克。孝武帝大怒，命令太史選擇吉日，打算親自渡江討伐劉誕；太宰劉義恭極力勸諫，孝武帝這才作罷。
劉誕最初關閉城門拒絕朝廷使者時，記室參軍山陰人賀弼曾極力勸諫，劉誕發怒，抽出刀對著他，賀弼才停止勸說。劉誕派兵出城作戰，屢次戰敗，手下將領官吏大多翻越城牆出城投降。有人勸賀弼儘早出城歸順，賀弼說：“主公起兵對抗朝廷，此事我不能順從；但我蒙受主公的厚恩，道義上也不能背叛他，唯有以死表明忠心罷了！”於是服毒自殺。參軍何康之等人謀劃打開城門迎接官軍，但是未能成功，隻好衝破關卡出城投降。劉誕建造高樓，將何康之的母親安置在上麵，讓她暴露在烈日之下，不給食物；何母呼喊著何康之的名字，幾天後餓死。劉誕任命中軍長濟陽人範義為左司馬。範義的母親、妻子兒女都在城內，有人對他說：“事情必定無法成功，你何不趁早逃走？”範義說：“我是君主的官吏；作為兒子不能拋棄母親，作為官吏不能背叛君主。如果像何康之那樣苟活，我不願做這樣的事。”
沈慶之率領部眾攻城，身先士卒，親自冒著箭雨石塊衝鋒，七月初二，攻克廣陵外城；乘勝進軍，又攻克內城的小城。劉誕聽聞官軍入城，便逃往後園，隊主沈胤之等人追上他，將其擊傷，劉誕墜入水中，被士兵拉出後斬首。他的母親、妻子都自殺身亡。
孝武帝聽聞廣陵叛亂被平定，便親自走出宣陽門，下令左右侍從高呼萬歲。侍中蔡興宗陪同在禦輦旁，孝武帝回頭問道：“你為何獨自不呼萬歲？”蔡興宗神色嚴肅地回答：“陛下今日本該為誅殺叛賊而痛心流淚，怎能讓眾人都高呼萬歲呢！”孝武帝聽後麵露不悅。
隨後，朝廷下詔，將劉誕的姓氏貶為留氏，廣陵城中的官吏百姓，無論年紀大小全部下令處死。沈慶之請求赦免身高五尺以下的孩童，其餘男子全部處死，女子充作軍中賞賜；即便如此，仍有三千多人被殺害。長水校尉宗越負責執行處決，他先將囚犯開膛破肚、挖出眼珠，或抽打麵部、鞭打腹部，再用苦酒澆灌傷口，然後才斬首，宗越麵對這一切，卻麵露喜色，仿佛有所收獲。孝武帝下令將死者的頭顱收集起來，在石頭城南岸堆積成京觀（骷髏台），侍中沈懷文勸諫，孝武帝不聽。起初，劉誕自知必將失敗，便派黃門呂曇濟與平日親信帶著世子劉景粹藏匿在民間，並囑咐他們：“如果事情不成，就儘量保全性命；如果無法幸免，就將他深埋地下。”並分別賜予他們金銀珠寶作為路費。眾人出城後，紛紛四散逃走；隻有呂曇濟沒有離開，背著劉景粹躲藏了十多天，最終被捕獲，兩人一同被斬首。
臨川內史羊璿因與劉誕關係好，被關進監獄處死。
朝廷提拔梁曠為後將軍，追贈劉琨之為給事黃門侍郎。
蔡興宗奉詔前往廣陵慰勞將士。他與範義向來友善，於是收斂範義的遺體，護送靈柩返回豫章。孝武帝得知後質問他：“你竟敢故意觸犯朝廷法令？”蔡興宗直言回應：“陛下誅殺叛賊，臣安葬故友，有何不可！”孝武帝麵露慚愧之色。
宗越治軍嚴厲，擅長布置軍營陣形。每當數萬人駐紮時，宗越都會親自騎馬在前引導，讓士兵跟隨其後，馬匹停下時，軍營便已布置就緒，從未有過混亂。
七月二十八日，朝廷宣布大赦天下。
八月初三，任命丹陽尹劉秀之為尚書右仆射。
八月十三日，任命南兗州刺史沈慶之為司空，仍兼任刺史職務。
。城平回返，日十二月八；中雲往前主國魏北，八初月八
𝐰𝐭.𝐩𝐨𝐨名域的們我住記請
。苑林上築修岸北湖武玄在廷朝，日一十二月九
。）蓋車的飾裝羽鳥用（蓋華葆羽加增，製形的車根金照依，）駕車種五的用專子天（車路五造製秋萬荀丞左書尚令命還帝武孝。處原回遷又，利吉址地的來原為認，後位即帝廢到等。位午的城宮著對正，側西山頭牛到移遷壇祭將詔下廷朝。儀禮合符不這為認爰徐丞右書尚，壇祭的天祭郊南造建位巳在人朝晉，初起
。平和為號年改，下天赦大布宣魏北，日朔子甲，一初月正，季春年064元公了到
。下天赦大布宣即隨，桑農視重示昭，式儀作耕行舉田籍到自親帝武孝宋朝南，日二十月正
路玉坐乘次首行出次此，廟宗、地天祀祭外郊往前，詔下帝武孝，日六十月正
