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宋文帝第二次北伐因东路军主力军战败被迫停止，就在宋军撤退之时，拓跋焘却率大军进行全面反攻。他派永昌王拓跋仁从洛阳向寿阳进兵，很快占领了悬瓠、项城两地。宋文帝怕寿阳失守，急召刘康祖回寿阳防守。刘康祖只有八千士兵，回防中途被拓跋仁八万大军拦截。刘康祖率军浴血奋战，双方战斗了一整天，最终宋军全军覆没。之后，拓跋仁进逼寿阳，并攻克了马头、钟离二城。
拓跋焘则亲自率主力大军攻克萧城，进逼彭城。此时刘宋江夏王刘义恭、武陵王刘骏都在彭城，刘义恭听说拓跋焘攻来，想要弃城而逃。沈庆之认为历城兵少粮多，可以长期坚守，建议二王前往历城。而沛郡太守张畅则认为如果打开城门，城中百姓必会逃散，二王也无法逃到历城去。如今彭城粮食还能暂时供应，在彭城更安全，坚决反对弃城。刘骏也表态反对弃城，誓与彭城共存亡。刘义恭这才打消了逃离的念头。
十一月底，魏太武帝拓跋焘兵临彭城。他知道彭城难攻，为了探听虚实，拓跋焘派人向刘骏索要酒和甘蔗。刘骏同意了拓跋焘的要求，并要求对方用骆驼作为回报。第二天，拓跋焘又派尚书李孝伯给宋军送去骆驼、貂裘等物，并请求与刘骏相见。刘骏派张畅接待了李孝伯，于是二人展开了一场论战，李孝伯见张畅淡定从容，言语之间毫不露怯，深感彭城难以攻破。于是魏军离开了彭城，往瓜布而去。
宋文帝也担心彭城失守，令臧质率军一万，前往彭城救援。可是刚到盱眙就遭遇了魏军主力，臧质大败，只能带领七百残兵逃往盱眙城。盱眙太守沈璞是个很有远见的人，王玄谟进攻滑台时，他就考虑到王玄谟一旦战败，与魏军对峙首当其冲的就是江淮地区。于是他早早便让人修葺城墙、储存粮食。臧质来到盱眙后，与沈璞合兵，共同守卫盱眙城。拓跋焘见盱眙城高且新，料定难攻，便没有攻打盱眙，只留下几千人马监视。
拓跋焘率军继续南下，到达长江北岸的瓜布，扬言要渡过长江。建康城内陷入了恐慌，百姓们都想要逃走。宋文帝下令戒严，并在丹阳征兵，沿江布防。这时候宋文帝才后悔不该仓皇北伐，并哀叹道：“若檀道济还在，怎会落到如此狼狈的境地！”
拓跋焘虽扬言渡江，但是他也明白，魏军少粮缺船，实际上难以渡江，北魏还不具备灭亡刘宋的条件，于是他派出使者向宋文帝提出和亲。宋文帝召集群臣商议，太子刘劭与众多大臣都同意，但江湛却反对说：“戎狄无情，这样做没有好处。”最终文帝站在了江湛这边，和亲之事只能作罢，而刘劭与江湛也结下了仇怨。
拓跋焘见和亲不成，又无法渡江，便烧毁江北房屋，掳走百姓，撤军北还。拓跋焘北还时经过盱眙，向守将臧质索要美酒，臧质却送了一壶尿给他。拓跋焘大怒，下令攻打盱眙城，还命人给臧质送了一封信，信中说：“我现在攻城的士兵都不是我鲜卑族人，而是丁零、匈奴、氐人和羌人，你杀了他们还能减少北魏的负担，对我没有任何不利之处。”臧质毫不示弱，回了一封信将拓跋焘痛骂一顿，还将拓跋焘信中的内容告诉攻城的魏军士卒，并向魏军悬赏要拓跋焘首级。拓跋焘被激怒后，更是下令全力攻城，然而魏军足足围攻了一个月，也没有打下盱眙城。这时魏军中流行瘟疫，加上魏军后路即将被切断，拓跋焘只得撤军。
此次刘宋与北魏之间的交战总体来说是刘宋战败，而北魏亦损失惨重，长期的战争拖垮了两国经济。这一战之后，北魏和刘宋都走上了由盛转衰之路。