随军北伐
同年（450年），刘义隆发动第二次元嘉北伐，三路并进。其中东路军以辅国将军萧斌为统帅、宁朔将军王玄谟为前锋。
沈庆之虽反对北伐，但仍被任命为王玄谟的副手，随王玄谟攻打碻磝（在今山东茌平西南）。碻磝守将弃城而逃。萧斌进驻碻磝，亲临前线指挥，并命王玄谟率部西攻滑台（治今河南滑县）。沈庆之则被萧斌留在碻磝，授以辅国司马之职。
王玄谟围攻滑台两个月，始终未能破城。不久，北魏皇帝拓跋焘亲自南救滑台。萧斌遂命沈庆之率五千人前去支援王玄谟。沈庆之认为兵力过少，对战事并无助益，但因萧斌坚持，最终只得从命。
沈庆之尚未出军，王玄谟已由滑台兵败逃回。萧斌见前锋已败，打算死守碻磝。沈庆之却力主放弃碻磝。萧斌遂退守历城（治今山东济南西），命王玄谟留守碻磝。
沈庆之随萧斌退守历城，不久便驰返京师，途中又接到刘义隆诏命，让他北返救援王玄谟。但当沈庆之行至彭城（治今江苏徐州），却因拓跋焘已率大军逼近，无法继续北上。
江夏王刘义恭当时正于彭城节度北伐诸军，遂将沈庆之留在彭城，授为太尉中兵参军。刘义恭给沈庆之三千兵马，让他到卯山抵御魏军。沈庆之却以“虏众强，往必见擒”为由，不肯前去。
魏军很快便攻至萧城（治今安徽萧县），距彭城仅有数十里。刘义恭因彭城兵多粮少，打算弃城南逃。沈庆之认为历城兵少粮多，建议移镇历城。但刘义恭在沛郡太守张畅的力谏下，最终还是决定坚守彭城，以避免军心动摇。
沈庆之随刘义恭一直坚守到元嘉二十八年（451年）二月北伐结束，又奉命将数千户彭城流民迁往瓜步（在今江苏六合）安置。
晚年遇害
起初，沈庆之因告发柳元景等人有功，很得刘子业信任。但是后来，沈庆之多次进言劝谏，刘子业很不高兴。沈庆之担心祸事，便闭门在家，不见宾客。后来，蔡兴宗劝沈庆之废帝，沈庆之回答道：“这种大事不是我所能干的。”沈庆之的侄子沈文秀也进行劝说，沈庆之仍然不肯。
同年十一月，刘子业诛杀宁朔将军何迈，知道沈庆之会前来劝谏，便关闭清溪诸桥，不让他进宫。沈庆之得知此事，果然前来，无法进宫后只好作罢。当日，刘子业命沈庆之之侄沈攸之送药赐死沈庆之。沈庆之不肯服药，沈攸之便用被子将他闷死，终年八十岁。
沈庆之死后，刘子业对外宣称他是病死的，对其赏赐十分丰厚，追赠为侍中、太尉，谥号忠武公。沈庆之还未下葬，刘子业便已被废杀，宋明帝刘彧继位，追赠为侍中、司空，谥号襄公。
471年（泰始七年），宋明帝又追改沈庆之为苍梧郡公。沈庆之的群从姻戚，由于他在朝中的位高功大而被重用委以贵职的多。
