魏军开始对盱眙发起猛攻。
他们用钩车钩住城楼，想将城楼钩塌，城内守将则用铁环制成巨型锁链拴住钩车，数百人呐喊着向后牵引，钩车无法后退。等到夜里，守军从城内悬下木桶，桶内藏着壮士，将钩车的钩子砍掉，并将钩车缴获。第二天，魏军又用冲城车猛撞城墙，但盱眙城墙土质细密坚硬，冲车每次撞击，仅仅撞落数升城墙上的泥土。眼看无法得手，拓跋焘下令魏军强行攀登城墙，部队轮番上阵，掉下梯子再重新攀爬，无人敢退缩。守军拼死苦战，杀死魏军一万多人，魏军尸体堆积得与城墙那么高。战斗异常惨烈，《南齐书·高帝本纪》也记载：“太祖（即萧道成）还就质固守，为虏所攻围，甚危急。”就这样，魏军一直在盱眙城下强攻了整整三十天，却一直无法攻破城池，而且，在这场惨烈的战斗中，魏军大将、散骑常侍、殿中将军长孙真也被宋军杀死。这时，魏军军中又发生了传染病，有细作报告说建康方面已经派出战舰从东海进入淮河，并命令彭城守军将切断魏军归路。拓跋焘意识到再拖延下去，后果不堪设想，二月二日，他下令焚烧攻城器具，仓皇渡过淮河退去。盱眙军民跃跃欲试，打算追击敌人，沈璞说：“如今城内士兵不多，又都是新近招募的，虽能固守，但不可出战，只有整顿船只，做出将渡河穷追的样子，让他们赶快逃命，不用真的去追赶。”大家都表示赞同。
盱眙大捷后，臧质认为沈璞是一城之主，应该由其向朝廷上报捷报，但沈璞坚决推辞，将功劳记在臧质的头上，宋文帝听到后，对沈璞更加敬重。
魏军途径彭城时，江夏王刘义恭害怕得不敢出击。有人报告说：“敌人驱赶一万多南方百姓，傍晚将在城外数十里的安王陂宿营，今天追击，还能救回他们。”诸将纷纷请战，但刘义恭不从。第二天，宋文帝命令彭城守军截击魏军的诏书送到了彭城，此时，魏军已经走远，刘义恭这才命令镇军将军司马檀和之向萧城方向追来。魏军闻讯，将这一万多南方百姓悉数屠杀后，仓皇离去。
在拓跋焘北返途中，程天祚趁着拓跋焘大醉，假装受命督促后军，偷偷离开了拓跋焘身边。一路上，他对后面上来的魏军，随便找个毛病，都给予一个小小的惩处。魏军将士都知道程天祚深得拓跋焘的喜爱，都害怕得罪了他，因此，他一路南来，无人敢问，这才得以顺利逃归宋国，回来后，程天祚被任命为山阳太守。
二月二十四日，拓跋焘渡过了黄河。
二月二十八日，宋文帝摆驾渡过长江，来到了瓜步山上，同日，京师建康解除了戒严。
三月一日，宋文帝回到了宫中。
三月十五日，拓跋焘回到平城，履行向祖宗报告的程序，将五万多家投降的南方居民分配在平城周边地区。
至此，这场持续半年的南北大战彻底落下了帷幕。
我们无法知道宋文帝刘义隆登上瓜步山上，俯瞰满目疮痍的淮南之地会是什么样的心情，是沉痛，是悲凉，是惭愧，抑或是庆幸？站在不同的角度，南北双方对这次魏军南侵所造成的危害做出了不同的描写：《宋书·索虏传》“史臣曰”：“至乃连骑百万，南向而斥神华，胡旆映江，穹帐遵渚，京邑荷檐，士女喧惶。天子内镇群心，外御群寇，役竭民徭，费殚府实，举天下以攘之，而力犹未足也。既而虏纵归师，歼累邦邑，剪我淮州，俘我江县，喋喋黔首，跼高天，蹐厚地，而无所控告。强者为转尸，弱者为系虏，自江、淮至于清、济，户口数十万，自免湖泽者，百不一焉。村井空荒，无复鸣鸡吠犬。时岁唯暮春，桑麦始茂，故老遗氓，还号旧落，桓山之响，未足称哀。六州荡然，无复余蔓残构，至于乳燕赴时，衔泥靡托，一枝之间，连窠十数，春雨裁至，增巢已倾。虽事舛吴宫，而歼亡匪异，甚矣哉，覆败之至于此也。”淮河南北数十万户刘宋军民，生还的不足百分之一；壮丁被魏军一律杀死，年幼的被掳掠为奴，千里之内不再有鸡鸣犬吠之声；千村百落全部被夷为平地，侥幸生还，战后回到家乡的满眼是堆积如山的骸骨；春天飞回的燕子再也找不到故巢，只得在树上筑新巢，一条树枝上竟一连筑了十几个鸟巢，春雨一过，鸟巢压断树枝，掉到了地上。史书描绘的惨状让人耳不忍闻。《资治通鉴》也称：魏军连破“南兖、徐、兖、豫、青、冀六州，杀掠不可胜计，丁壮者即加斩截，婴儿贯于槊上，盘舞以为戏。所过郡县，赤地无余，春燕归，巢于林木。魏之士马死伤亦过半，国人皆尤之。”、刘宋“自是邑里萧条，元嘉之政衰矣。”
对于魏军的战果及损失，《宋书》说：“焘凡破南兗、徐、兗、豫、青、冀六州，杀略不可称计，而其士马死伤过半，国人并尤之。”《宋书·鲁爽传》实录的鲁爽投降刘宋时给南平王刘铄的信中也说：拓跋焘“自盱眙旋军，亡殪过半，昏酣沈湎，恣性肆身。”均指出了魏军北撤时死伤大半的情况，应当是真实的，这大约是西线战斗、尉武野战、盱眙攻坚战中战死、瘟疫死亡人数。《魏书》称，（魏军）“尽举淮南地，俘之以归，所夷灭甚众”、“淮南之民皆诣军降”、“其江北之民归降者数十万计。凡克南兗、豫、徐、兗、青、冀六州，其军锋杀掠不可胜算。时义隆江北萧条，境内搔扰”。
虽然表述各有侧重，但大体可以肯定：一是魏军进入刘宋国境后实施了恐怖屠杀的政策，完全没有欲长期占领该地“吊民伐罪”的姿态，这只能出于两种可能：1、拓跋焘发动这场战争出于对刘宋北伐的报复，是基于以攻为守策略而进行的反击，并无统一中国、占领江南的打算，这一点无论从他给宋文帝的恐吓信中，还是以当时北魏对南下的准备程度上均可以看出；2、随着战役的推进，万一能够突破长江防线，拿下建康的话，拓跋焘当然不会谦虚，以恐怖政策震慑刘宋军民，这也符合魏军“捣其腹心”的习惯。二是魏军起码掳掠了5万户刘宋平民，以一户5口计算，人数高达25万之多，而六州原有的数十万户上百万人中的大部分都被魏军屠杀了。三是魏军也死伤惨重。但即使是这样，魏军也是赢家，这是因为：战火主要在刘宋土地上点燃，对于刘宋综合实力的打击是非常大的，这与进攻方仅仅死伤一些兵员不可同日而语；刘宋西路军虽然取得了局部战场的胜利，但战区并非北魏富庶地带，且西路军只能说稍占上风而已，对北魏军力国力并无太大的打击，但由于盱眙之战持续长达一月之久，数十万魏军不仅没有拿下盱眙，补充本已缺乏的军粮，相反还造成了大量战斗死伤，更重要的是，我们还可以想见饥馑也更为严重了，再加上瘟疫流行，造成了更大的非战斗减员，因此，统算起来，魏军的胜利也应该是一场惨胜，这场战争也可以说没有赢家，虽然范文澜先生说“鲜卑人从来没有遇到这样的死伤，此后害怕同南朝作战”，有些夸张，但是，在一二十年间里却是实情。