戴明宝和垣阆到广陵近郊的时候，刘诞还蒙在鼓里。戴明宝深夜向刘诞的典签蒋成通报的情况，让他明天一大早打开城门。蒋成又告诉了府舍人许宗之，谁知，许宗之是刘诞的死党，闻讯后，他立马向刘诞做了报告。刘诞大惊失色，从睡梦中一跃而起，召录事参军王玙之说：“我又有什么罪过，皇上竟然要如此这般！”立即传令左右召来了数百名亲信，逮捕了蒋成，实施戒严。城外的戴明宝和垣阆对城内发生的一切根本不知，第二天天将破晓，二人率领数百精兵按时来到广陵城下，等到天明，广陵城门并未打开，相反，城上早已密布兵丁，刘诞亲自登上城门楼，在城上斩杀了蒋成，焚烧了兵籍，宣布赦免大狱中的囚徒。然后，他命令心腹部将率领广陵军队，大开城门，进攻戴明宝、垣阆等人，垣阆被杀，戴明宝狼狈而逃，辗转到海陵（江苏省泰州市境）才逃回了京师。
刘骏的偷袭计划破产，只能发兵讨伐刘诞。孝武帝立即采取以下应对措施：一是下诏宣布内外戒严；二是任命沈庆之为使持节、都督南兗、徐、兗三州诸军事、车骑大将军、开府仪同三司、南兗州刺史，率领京师禁卫军前去广陵讨伐；三是调回青州前线右卫将军垣护之、虎贲中郎将殷孝祖等人率领的禁卫军，隶属沈庆之，一起讨伐刘诞；四是调发南兖州周边豫州宗悫、徐州刘道隆、南徐州刘延孙、青州冀州颜师伯等各州的部队，均隶属沈庆之，对广陵形成合围之势；五是四月二十七日，孝武帝本人亲自统帅禁军，出屯宣武堂，统一指挥整个讨伐行动。
司州刺史刘季之是刘诞的旧部，在司州既贪婪又残暴，司马翟弘业多次苦苦劝谏，刘季之积怨很久，终于将其毒死；刘季之与豫州刺史宗悫素来就有恩怨，年少时，两人曾因赌博，刘季之还打了宗悫，宗悫一直怀恨在心。宗悫都督司州，刘季之听说刘诞谋反的消息，担心被宗悫所杀，为了向朝廷表明心迹，弃官从小路奔回建康，走到盱眙（江苏省盱眙），盱眙太守郑瑷也知道刘季之与刘诞关系素来很好，也怀疑他与刘诞同谋，是去投靠刘诞，就将其诛杀，把人头送给了刘道隆。
听说刘诞谋反的消息，南徐州刺史刘延孙即刻派遣中兵参军杜幼文率兵进讨。杜幼文率部行至广陵，刘诞已经闭城固守，杜幼文只得返回。刘诞派遣刘公泰携带书信游说刘延孙，刘延孙诛杀了刘公泰，将其人头送往建康，而后，又派遣杜幼文率领南徐州的部队加入了沈庆之的讨伐大军。沈庆之率部行至欧阳（江苏省仪征市东古运河上，距离广陵六十里左右），刘诞派遣沈庆之的同族沈道愍带着书信前去说服沈庆之，并赠送给沈庆之一把玉钚刀。沈庆之将沈道愍打发回去，列举了刘诞的种种罪恶。刘诞焚烧广陵城周边的村落，将百姓们都驱赶到城内，派人向远近四方投信，号召大家一起响应。当时，山阳（江苏省淮安市）内史梁旷家在广陵，刘诞逮捕了梁旷的妻子，派使者邀请梁旷，梁旷斩杀了刘诞的来使，予以拒绝。刘诞大怒，将梁旷全家悉数斩杀。顾琛和前西阳太守张牧也都是刘诞的旧部，三人关系非常密切，刘诞派使者陆延稔带去书信，任命顾琛为征南将军，张牧为安东将军，顾琛的儿子顾宝素为谘议参军，顾宝先为从事中郎，张牧哥哥张济为冠军将军，堂弟张晏为谘议参军。孝武帝料到顾琛与刘诞关系很深，可能会有异心，也命令吴郡太守王昙生去诛杀顾琛父子。正巧陆延稔先到，顾琛等人当即将其抓了起来，杀掉，并派两个儿子火速进京向孝武帝表示忠心，这一天，孝武帝派来的使者随后也到了吴郡，顾琛等人差一点就被杀了。开始的时候，刘诞欺骗城内的人说：“宗悫会帮助我的。”可是，实际上，老将宗悫听说刘诞叛乱以后，立即就前往建康面见孝武帝，他在孝武帝面前连续跳了几十下，左右顾盼，表示自己宝刀不老，孝武帝非常满意，宗悫到广陵城下后，他飞马绕城一周，对城上大喊：“我就是宗悫！”
刘诞将给孝武帝的奏表扔到城外，在奏表上，刘诞称：“过去刘劭之乱，陛下进讨，臣弃暗投明，并无不当；等到丞相刘义宣背叛之时，臧质和鲁爽同时响应，当时朝野上下一片恐慌，陛下还打算率领群臣不战而降，是臣再三劝阻。社稷危而复安，这都是谁的功劳？陛下对我非常优厚，旬月之间授予我骠骑将军和扬州刺史的高位，又给予我南徐州、南兖州刺史的职务，我临别之际，您还命令皇太子亲自与我饯别。臣对陛下的恩遇非常感激，原以为我们君臣之间将和睦到老，谁能料到陛下竟然信用谗言，派遣无名小辈前来掩杀我，我受不了冤枉，即将他们诛杀，鸟雀和老鼠尚且偷生，我为了活命，不得不违背您的诏书。如今，我亲自率领部队，镇守徐州和兖州。过去，我有什么福气，你我同生在皇家；今天你我又有什么仇怨，竟然成了胡（北）越（南）？冲锋陷阵，万死不辞，平定之日，已经不远。陛下宫闱之内的丑事，我岂能三缄其口，提笔之时，悲痛哽咽，不知所言。”
刘诞最后一句话说中了孝武帝刘骏的痛处，他不禁恼羞成怒，大开杀戒，下令将留在建康的刘诞下属的同支、近亲，全部诛杀，被杀的有上千人，甚至有不少人在建康的家属已经被杀光，还不知情，因不参与叛乱还从广陵城内逃出。
沈庆之率部推进到广陵城下，刘诞登上城楼对他说：“沈大人年逾花甲，为何而来？”沈庆之反唇相讥道：“朝廷因为你既狂妄又愚蠢，不足以劳累年少的，所以才派我前来。”沈庆之所部进抵广陵城下后，豫州刺史宗悫、徐州刺史刘道隆所部也来回师。刘诞的队主韩道元出城投降，中兵参军柳光宗（柳元景堂弟）、参军何康之、刘元迈、队主索智朗密谋打开北城城门投降，还未到约定日期，何康之所部的一个小队长石贝子先期出城逃跑，何康之担心事情败露，趁夜与索智朗强行逃出城外。刘诞杀死了柳光宗，抓住了何康之的母亲，把何康之的母亲衣服剥光，放置在高楼之上，不给食物，就这样，何康之的母亲在上面哀号了数日之后，被活活饿死。