魏军反攻初胜后，太武帝遂命诸将分兵5路大举南下：
1、征西大将军、永昌王拓跋仁自洛阳向寿阳（今安徽寿县）；
2、尚书长孙真向马头（今安徽怀远南）；
3、楚王拓跋建向钟离（今安徽凤阳东北）；
4、高凉王拓跋那自青州（魏青州治今山东广饶）向下邳（今江苏邳县西南）；
5、太武帝亲率主力自驻地东平（今山东东平东）向邹山（今山东邹城东南）
十一月初，太武帝大军进攻邹山，宋戍主、鲁阳阳平2郡太守崔邪利投降。太武帝进驻邹山。
与此同时，楚王拓跋建军进驻彭城门户萧城（今安徽萧县西北），另军步尼公进屯彭城另一门户留城（今江苏沛县东南）。镇守彭城的宋武陵王、徐兖2州刺史刘骏与驻在彭城节度北伐诸军的江夏王、太尉刘义恭派参军马文恭、军主嵇玄敬率军分别进至萧城、留城，观察魏军的动向。马文恭、嵇玄敬2军先后与魏军遭遇，马文恭军大败，文恭只身逃回。
嵇玄敬军由于当地百姓的协助，取得胜利，魏军遭到失败。当时，萧城魏军距彭城仅10里之隔，彭城守军虽多，但军粮匮乏，形势十分危急。刘义恭欲弃城南逃，安北长史、沛郡太守张畅力谏不可。
他说：“今城内乏食，百姓咸有走情，但以关扃严固，欲去莫从耳。若一旦动脚，则各自散走，欲至所在，何由可得。今军食虽寡，朝夕犹未窘罄，量其欲尽，临时更为便宜，岂有舍万安之术，而就危亡之道”。刘骏认为张畅所言有理，也劝义恭留镇彭城。刘义恭才决意坚守彭城。太武帝率大军进至彭城，宋军据城固守，魏军不能克。
魏永昌王拓跋仁率骑兵8万，自洛阳南进，连克宋悬瓠、项城（今河南沈丘），直趋寿阳。宋文帝恐镇守寿阳的豫州剌史刘铄被围，遂急令已向虎牢的安蛮司马刘康祖返回寿阳。康祖得令后火速回师，在寿阳北数十里处，被拓跋仁的8万大军追及。
康祖军仅有8000之众，军副胡盛之建议傍山依险，从小路返回寿阳。康祖大怒，说：“寇今自送，不复远劳王师，犬羊虽多，实易摧灭。吾兵精器练，去寿阳裁数十里，援军寻至，亦何患乎”。遂命将士结车营沿大道向寿阳进发。魏军仗恃人多，四面夹攻宋军，康祖率军奋战一天一夜，杀敌万余人。
魏军又分为3批，轮番进攻,并以马匹运草火烧宋军车营，康祖激励将士，拼死决战，终因寡不敌众，全军覆没。康祖身被10创，中流矢坠马而死。北魏拓跋仁军围攻寿阳，并分兵袭扰宋马头、钟离等地。宋刘铄命将士烧掉寿阳四周庐舍，凭坚城固守。
十一月底，魏军各部进抵淮水一线。太武帝见彭城、寿阳等坚城急攻难下，遂决定置宋孤城不顾，渡淮南进，兵锋直指长江。
十二月初一日，北魏诸军渡淮南进：高凉王拓跋那出山阳(今江苏淮安）、永昌王拓跋仁出横江（今安徽和县东南)、中书郎鲁秀出广陵（今江苏扬州），太武帝自率大军直趋瓜步（今江苏南京六合东南瓜埠）。魏军未带军粮，沿途本以抄掠为食。渡淮后得知宋盱眙（今属江苏）城有储粮，便猛攻盱眙。
盱眙太守沈璞与辅国将军臧质奋力抵抗，魏军攻城不下，便绕城而过，继续南进。魏军沿路烧杀抢掠，刘宋许多城邑守将望风奔逃。十二月十五日，太武帝军抵达瓜步，与建康隔江而对。
魏军到达长江北岸后，大拆民房，割苇造筏，声言渡江。建康震动，宋廷上下一片恐慌。宋文帝命令建康内外戒严，悉发丹阳（治建康）地区丁壮为兵，王公以下子弟皆从役。领军将军刘遵考等将兵分守建康津要，派水军沿江巡逻，“上接于湖，下至蔡州，陈舰列营，周亘江畔，自采石至于暨阳，六七百里，船舰盖江，旗甲星烛”。
文帝又命太子刘劭总统水军，出镇石头城（今南京城西），丹阳尹徐湛之守石头仓城，吏部尚书江湛兼领军，总统军事。文帝悬重赏购太武帝君臣首级，斩太武帝首级者，封八千户开国县公，赏布绢各万匹，金银各百斤。又募人将毒酒置江北空村中，欲以毒死魏军将士。
宋文帝刘义隆登石头城北望，面有忧色，长吁道：“如果檀道济还在，怎么会到这个地步！”
太武帝虽声言渡江，其实是虚张声势。魏军逞一时兵威，从黄河北岸一直打到长江北岸，连过刘宋青、冀、兖、徐、豫、南兖6州，沿途烧杀抢劫，遭到江淮人民的强烈反抗，他们纷纷以坚壁淸野对抗魏军。魏军抄掠无所得，军资奇缺，人马饥乏。
同时魏军屯长江北岸，前有长江天堑，没有强大水师无法渡江，后有刘宋6座州治坚城未破，难免有后顾之忧，而且沿路征战，士马损失过半，因而魏军此时已是强弩之末，退兵乃是大势所趋.
元嘉二十八年（451年）正月初一，太武帝大会群臣于瓜步山上。初二，魏军掠民户5万余户，焚庐舍撤军北还。魏军在返回途中为了解决军粮，再次围攻盱眙，守将臧质率领将士英勇抵抗。魏军先后筑长围，施以钩车、冲车等器具连续攻城，宋军以相应办法抵抗。魏军乃“肉薄登城，分番相代，坠而复升，莫有退者，杀伤万计，尸与城平”。
魏军猛攻20余日，盱眙岿然不动。二月二日，太武帝因北魏军中多疾疫，又有人告以宋廷命彭城守军断其归路，并遣水军自海入淮来攻，遂撤盱眙之围北还。
魏军路过彭城时，刘义恭畏惧不敢截击，魏军驱迫掳掠来的民户万余口宿于彭城几十里处的安王陂，诸将皆请出击，义恭不许。次日，宋文帝诏令义恭全力追击魏军，义恭才遣将追击。魏军已得知此讯，将万余口百姓全部杀掉，平安撤回魏境。这场持续半年多的宋魏战争，以刘宋失败而告结束。
