过去，有种说法是，广陵城一旦打开南门，将对城主不利，因此，从来都是不开南门的。此时，有人说，开南门，其主将称王，于是，刘诞下令打开了南门。城内邵领宗暗中联络一些人，阴谋偷袭刘诞，行动之前，他要先联络好城外的沈庆之，就欺骗刘诞说自己出城到沈庆之那里充当间谍，刘诞答应了。邵领宗出城与沈庆之联络之后，又回到城内，但事情却败露了，刘诞命人将其鞭打了二百下，但邵领宗却始终不肯承认，于是，刘诞命人将其五马分尸。
此时，孝武帝给前线送来了两枚印章，一枚是竟陵县开国侯，食邑一千户，赏赐给活捉刘诞的人；另外一枚是建兴县开国男，三百户，是赏赐给最先登上城墙的人，他还派遣屯骑校尉谭金、前虎贲中郎将郑景玄率领羽林军增援沈庆之。王玙之的五个孩子都在建康，沈庆之将这五个孩子抓来，招诱王玙之。这五个孩子在城下哭着呼唤着自己的父亲，但王玙之还是这样回答沈庆之：“我受我主厚恩，决不会有贰心。我三十多岁了，只差没有一个死地了，岂能以我的亲人来招诱我！”等到广陵城破之后，沈庆之将这五个孩子全部摔死。刘诞又派三百人从南门进攻刘勔，被刘勔击破。
孝武帝心急如焚，可是，前线却一直没有进展，这是因为，沈庆之到达广陵城不久，就下起了连绵不绝的大雨，政府军无法填埋壕沟，更不用说攻城了。孝武帝的督促诏书，接二连三送到军中，他还让御史中丞庾徽之上书弹劾沈庆之，以刺激他全力攻城。刘诞派出近百人从北门上给沈庆之送去食物，沈庆之将其全部烧掉；刘诞又请求他替自己给孝武帝送去奏表，沈庆之回答：“我是奉命前来讨贼的，不是来给你送奏表的，你如果想归顺朝廷，就该打开城门，我负责护送你。”
天终于放晴了。
孝武帝按捺不住一腔怒火，下令太史令选择出发吉日，将亲自渡江前去讨伐。太宰刘义恭上书恳切劝谏，这才作罢。在孝武帝的督促下，沈庆之不敢怠慢，每次攻城，白发苍苍的他总是身先士卒，这当然也是在做给孝武帝看。孝武帝得知后，对沈庆之放下心来，写信劝诫他道：“爱卿身为元帅，只用筹划得当，何必要亲自冒着枪林弹雨？万一有个三长两短，那就划不来了。”
七月二日，政府军终于发起了总攻，一举攻克广陵城的外城，又乘胜攻克了内城。刘诞听说城破，与申灵赐一起逃到后花园，政府军沈胤之、周满、胡思祖最先冲了进来，刘诞手持玉钚刀与左右数人四散逃走，刘诞跑到桥上，被沈胤之等人追上，刘诞举刀自卫，沈胤之一刀下来，砍中了刘诞的脸，刘诞当时跌落到水里，众人跃入水中，将他拉上岸杀掉，把人头送到建康报功。刘诞死时年仅27岁，尸体埋在广陵，孝武帝将其姓贬为留氏。当天，广陵城上空一片浓云惨雾，白虹挂在北门之上，横贯城内，这似乎都在预示着这里将变成人间地狱！
果然，接下来，便是惨无人道的大屠杀。
孝武帝刘骏听说广陵被平定，亲自走出宣阳门，命令群臣都要山呼万岁。侍中蔡兴宗在御车上陪侍，孝武帝回过头问他：“为何只有你不喊？”蔡兴宗严肃地回答：“陛下今天正应该流下眼泪，签发执行死刑的命令，怎么可以让臣下们都山呼万岁呢！”刘骏听了一脸不悦之色，接着，他命令将广陵城内所有的人全部屠杀，这当然是担心自己的宫闱丑事传到外面吧？在沈庆之的劝谏下，孝武帝最终同意留下五尺（约合1.2米）以下的孩子，其余城内数千（《资治通鉴》称三千）男子全部诛杀，在石头城构筑成“京观”，女人赏赐给参战军人们，刘诞的母亲殷修华、妻子徐氏也被逼自杀，追赠殷氏为长宁国淑妃。在大屠杀中，虐待狂宗越亲自负责行刑，此人在讨伐刘义宣时，攻入江陵后，就以滥杀无辜而臭名昭著，这次，他又变本加厉，对这些被杀的人（其中应当不少是不久前才被刘诞强行从城外迁入城中的无辜百姓），他下令将这些人剥去衣服，先打得半死，或者用鞭子猛抽脸庞、小腹，或者挖去眼睛、破开肠子，用苦酒再浇到伤口上面，宗越还得意洋洋，心里充满了嗜血的快感。这些罪恶虽是宗越所为，但都是出自孝武帝刘骏的指示，包括将人头从广陵运到建康近郊的石头城南岸构筑成京观，也是出自孝武帝的主意，侍中沈怀文劝谏，但孝武帝不从。蔡兴宗奉旨前往广陵劳军，被杀的南兖州别驾范义与蔡兴宗是老友，蔡兴宗来后，亲自将范义收敛，送回豫章埋葬，孝武帝得知后，对他说：“你为何故意违反禁令？”蔡兴宗抗言回答：“陛下你杀你的贼人，臣下我自去埋葬我的老友，既然违反了你的禁令，我心甘情愿受极刑！”刘骏一脸羞愧。庐陵内史周朗也因直言得罪，被流放到宁州，亲戚故旧无人敢送，蔡兴宗当时在值班，听说后，立即请假与周朗饯别，刘骏得知后，更是恼火，蔡兴宗也不愿呆在昏君身边，总是请假，孝武帝以此为借口，贬其为“白衣领职”。
论功行赏：进沈庆之司空，沈庆之坚决推辞，于是，命沈庆之在朝会时次序仅次司空，特别又给予他五十名服务人员，门前允许设置“拒马”，即“门施行马”。行马，就是拒马，据宋代《营造法式》卷二称：行马，又叫拒马叉子。两木交叉而成四角，两组或多组这样的交叉，再加一横木，立在门前就是行马。进山阳内史梁旷为后将军；追赠刘琨之为给事黄门侍郎；封周满山阳县侯，食邑四百五十户；沈胤之莱阳子，食邑三百五十户；胡思祖高平县男食邑二百户。