对刘彧来说，薛安都叛变，引来北魏大军虽然有些出乎意料，可他对此也没有太过紧张。在他看来，先前派去炫耀军威的大军正好可以派上用途了。
泰始二年（公元466年，北魏天安元年）十二月，张永、沈攸之的军队已经逼近彭城。宋军在下礚休整驻军后开始各种忙碌，羽林监王穆之率兵五千人在武原守备军用物资，龙骧将军谢善居率领二千士兵据守吕梁，散骑侍郎张引领卒二千据守茱萸，监督当地百姓上交军粮。刘宋大军来势汹汹，大有一举击败薛安都平定叛乱的架势。
可刘宋没有想到，眼前的敌人已经不单是薛安都了。尉迟元（尉元）率领北魏大军也抵达了彭城，薛安都赶忙出城迎接。尉迟元随即派部将李璨跟薛安都先行入城，控制所有城门。随后又派孔伯恭率精锐部队二千人，巡逻于城内外，彭城被北魏牢牢掌控。
不知情的宋军在当天晚上就对彭城发起了进攻，张永亲自率军攻击彭城南门。但此时彭城的守备力量已不是张永能对付的，最终无功而返，只能率军返回营地。
击退宋军第一波进攻后，彭城内部也出现了一些问题。由于尉迟元轻视薛安都，对他很不礼貌。薛安都对此十分生气，开始为自己投降之举感到后悔，便打算背叛北魏重回刘宋。但尉迟元早已在彭城内外布满了眼线，他很快就察觉到了异样，开始加强警戒。
薛安都因此不敢轻举妄动，但尉迟元毕竟对此事知道了大概，这对薛安都还是很不利的。薛安都于是连忙开始自救，一边贿赂尉迟元，一边把罪责推给女婿裴祖隆。尉迟元也不想让彭城形势再起波澜，就顺势就把裴祖隆杀了，完结了此事。
稳定了局势后，尉迟元准备对刘宋军队动手。考虑到张永占据险要的地形，不宜正面和他对抗。尉迟元于是命薛安都与李璨等固守彭城，自己率精锐部队进军，先攻击据守吕梁的谢善居，切断了张永的粮道。谢善居逃奔据守茱萸的张引，两人又东奔据守武原的王穆之。尉迟元当然不会给他们机会，率军攻陷王穆之留守的辎重基地武原。王穆之损失惨重，只得率残余部队投奔张永。
泰始三年（公元467年，北魏天安二年）正月，得知自己的后勤补给线被切断，自知无力再战的张永等人决定弃城连夜逃跑。谁知天公不作美，天气十分寒冷，又赶上天下大雪，泗水冰封，船只不能移动，张永命部队放弃船只，徒步南奔。结果士卒冻死的有一大半，手脚折断得有十分之七八。
尉迟元则趁机率军追击，绕到宋军前面堵截，薛安都在后面追杀，在吕梁的东面大败张永军，被杀者数以万计，六十里之遥，尸体重叠，抛弃的军用物资及武器，更无法计数。张永虽然自己的脚趾也被冻掉，好在与沈攸之侥幸逃脱。梁、南秦二州刺史垣恭祖等人被北魏俘虏。
大军战败的消息很快传到了建康，刘彧连忙召集群臣商议对策，但众人都无计可施，刘彧看到蔡兴宗后感慨地说：“在你面前，我深感惭愧。我真后悔当初没有听你的。”然后下令贬张永为左将军，免除沈攸之的官职，命他以贞阳公的名义兼任现职，返回淮阴驻扎。
这一战刘宋可谓是损失惨重，徐州、兖州和豫州淮西(汝南、新蔡、南顿、颍川诸郡)都被北魏占领，冀州和青州也是岌岌可危。
和先前拓跋焘时期南下不同，这一次北魏可不是烧杀劫掠一番就撤退，而是准备好好统治这些地方。尉迟元因彭城兵荒马乱之后，无论官府还是民间，财力全都枯竭，所以特向北魏朝廷请求拨发冀、相、济、兖四州的库存粮食，用张永所抛弃的九百艘船只，顺清河运载，赈济新并入版图的居民，北魏朝廷批准了。北魏此举也赢得了当地的民心，但北魏的胃口会仅限于此？