大明三年（459）四月二十日，皇帝刘骏下诏宣布建康城内外戒严，任命沈庆之为车骑大将军，率兵讨伐刘诞。皇帝亲自总领禁兵进驻宣武堂。

　　沈庆之军队逼近广陵。刘诞派人去游说，被沈庆之严词拒绝。刘诞知道一场恶战不可避免，便下令焚烧外城，将外城的百姓全都驱赶进城内。

　　他要坚壁清野，与沈庆之决一死战。同时刘诞接连修书分送各地郡守，邀他们一同举事。其时山阳内史梁旷家在广陵，刘诞便劫持了他的妻儿老小，派遣使者要挟梁旷入伙。梁旷愤而斩杀来使。刘诞大怒，将其一家老小全部砍杀。

　　刘诞还把一份宣战书投出城外，随即被送到建康。皇帝刘骏展开一看："陛下听信谗言，遂派小人来偷袭，不信任我、冤枉我、加罪于我、还要把我置于死地。雀鼠尚且贪生，我辈岂能不违诏令！？而今只能亲率部属，镇守徐、兖！曾几何时，你我是何等福气，同生于帝王之家；此时此刻，我究竟有何等罪过，令你我形同胡、越！？就让你我兵刃相见吧，我万死不辞！我等待决战的这一刻，无论朝夕！"

　　刘骏脸上阴霾密布。接着往下看，他立刻暴跳如雷！

　　刘诞最后说了一句："陛下在宫闱中的丑事，岂能永远封住别人的口？！"

　　就在这一天，竟陵王刘诞所有的心腹、朋党、故旧、亲友、同籍，只要是跟他扯得上关系的，只要是住在建康的，全都遭受灭顶之灾。皇帝的禁军在建康城中展开疯狂的大搜捕和大屠杀，一天之间杀戮了一千多人。

　　沈庆之兵临广陵城下，刘诞登上城楼，遥望着风中猎猎招展的战旗和沈庆之满头飘飞的白发，大声喊道："沈公白首之年，何苦来此呢？"

　　沈庆之大笑着回答："这是因为朝廷认为你既狂妄又愚蠢，没必要派遣少壮啊。"

　　皇帝怕刘诞逃亡北魏，就命令沈庆之断其后路。沈庆之遂在广陵北面十八里的白土安营扎寨。与此同时，豫州、徐州、兖州各路刺史皆亲率兵马来援。各路大军把广陵城团团围困。刘诞原本计划中的各州援兵此刻全都成了攻城之敌。无奈之下，刘诞命一名参军率兵留守，自己亲率数百名精兵和亲信，声称要出战，却从斜刺的一条小路直奔海陵（今江苏泰州市）。沈庆之立即派兵一路追击。走了十多里，部下不愿逃亡，纷纷劝刘诞回城。刘诞说："我回去容易，可诸位能为我尽力而战吗？"众人皆高呼愿意。

　　刘诞回到广陵，立刻建筑盟坛，与众将士歃血为盟，府上的文官武将全都加官进爵。刘诞要任命主簿刘琨之为中兵参军。刘琨之推辞说："忠孝不能两全，琨之老父尚在，不敢从命。" 刘诞把他关了十几天，刘琨之始终拒绝，刘诞干脆杀了他。

　　皇帝命沈庆之在广陵西南的桑里建筑三座烽火台。如攻下外城，就点燃第一座烽火；攻下内城就点燃第二座烽火；抓获刘诞就点燃第三座烽火。随后诏书接二连三地送到前线，催促沈庆之攻城。沈庆之立即着手开掘地道、竖立行楼、堆筑土山，并填塞护城河，放火焚烧广陵东门。但是刚好碰到连日大雨，攻城受阻。

　　皇帝刘骏迫不及待，便授意御史中丞上奏章罢免沈庆之，随后刘骏又下诏说不要追究，以此激励沈庆之。然而，从四月一直到七月，大雨停了，广陵却迟迟不能攻下。刘骏扬言要御驾亲征，刘义恭苦苦劝谏，刘骏才悻然作罢。

　　广陵被围困数月，伤亡越来越多，粮草越来越少，军心日渐涣散，不断有官兵偷偷逾城出降。参军何康之等人计划打开城门迎入朝廷军队，但计划失败，于是杀死城门守卫出城投降。刘诞为了杀一儆百，便筑起一座竹楼，把何康之的母亲关在上面，让她暴露在众人的目光中，并断绝其食物。老人在竹笼里一声声地呼唤儿子的名字，几天后就饿死了。

　　刘诞的这手狠招很快取到了震慑作用。

　　由于将士大量伤亡和投降，守城将领出缺，刘诞任命中军长史范义为左司马。有人对范义说："这场战是必定打不赢的，你要接受任命吗？" 范义的妻儿、母亲都在广陵城内，范义无奈地说："我既为人子、亦为人吏，子不可以弃母，吏不可以叛君。我还能怎么办？如果让我像何康之那样逃命，我不干。"

　　七月十五日，沈庆之命令各军发动总攻。

　　小小的一座广陵居然数月不克，这个身经百战的老将军怒火中烧。总攻这天，他身先士卒，冒着滚石箭矢杀上城头，撕开了一个缺口，身后的将士蜂拥而上，激战多时终于攻下外城。

　　第一座烽火熊熊燃起。

　　紧接着，沈庆之又率众攻进内城。刘诞的士兵眼见大势已去，纷纷投降。

　　第二座烽火很快燃起。

　　刘诞在官邸中，听见攻城军队的喊杀声越来越近，失魂落魄地逃进后花园。追兵赶到，一箭把他射落水中，随后将他拖出来乱刀砍杀。刘诞的母亲和妻子随后相继自尽。