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任务看来已经完成，陈庆之没有就此停息。他立即北上击败考城的羽林兵，生擒了守将元晖业。
梁军挥师西进，所过各城望风而降，很快就来到了荥阳城下。荥阳是洛阳以东最后一座大城，重要性不言而喻。元天穆这时刚刚干掉济南的邢杲，赶在回军的路上，北魏朝廷只好将洛阳附近剩余的七万兵力调到荥阳及其西面的两个关隘——虎牢和轘辕，由东南道大都督杨昱死守荥阳，尔朱荣的两个堂弟尔朱世隆和尔朱世承则把守虎牢和轘辕。
荥阳攻城战异常艰苦，城中军队多过陈庆之数倍，梁军的第一拨攻势被击退了。更为不利的是，元天穆与尔朱荣侄子尔朱兆的援军即将到达，旌旗招展，远远已能望见。梁军士卒上下惊恐，出现了怯敌心态。
惟有陈庆之一点不慌张，他命士兵稍事休整，人马吃饱喝足，然后登高呼道：“我军至此以来，攻城略地，着实不少；诸君杀人掠女的行径，也数不清了（由此看得出梁军战斗力虽强，军纪却很糟，一路胜仗却没有收取魏国民心，最终失败不可避免）。元天穆的援军，都是我们的仇敌。我军才七千，魏军三十多万（这是虚指魏军总数，而不是荥阳一城守兵的数量，也不是城外援军的数量。有人以此质疑战争的可信性，实际上是误解了陈庆之以众多的敌军人数激励将士奋发作战的本意）。今日不是我死，就是敌破！不可与敌军骑兵在平原上交锋，先把城池拿下。诸君切勿迟疑，以免自取灭亡！”
说完，陈庆之下令擂鼓攻城，七千将士个个精神抖擞，如发了疯的蚂蚁一般涌向荥阳的城墙。城内的杨昱正盘算等援兵一到便出城夹攻，哪里想到梁军如此凶狠？仓促之间布置守备，根本来不及了。梁军打头的士兵已经从城墙缺口处翻了进来，气势如虹地杀向城内。荥阳的魏兵死伤惨重，杨昱也做了阶下囚。（战后元颢念他忠义不降，放了他一条生路。但梁军大杀城中俘虏的部将，却进一步激化了双方的仇恨）
梁军控制了荥阳，元天穆的前锋也兵临城下。陈庆之乘敌军立足不稳，突然率领三千骑兵出城迎战。魏军远道而来，还没摆开阵势就遭到痛击，一下子崩溃了。
荥阳之战是陈庆之名震中原的经典作品，在攻城和野战中他都做到了出其不意，速战速决，把军队的机动性发挥到极致，很有现代“闪击战”的风采。洛阳城的儿童也因此唱起了“名师大将莫自牢，千兵万马避白袍”，北魏守军望风而逃。元天穆率部退往河北，尔朱世隆放弃虎牢，他的弟弟尔朱世承放弃轘辕，在逃跑途中被杀。
洛阳以东再无一险可守，北魏孝庄帝在洛阳呆不住了，他带着亲信秘密逃往河内（今河南沁阳），继而北上并州，与尔朱荣会合。附近的城池纷纷向元颢投降。元颢与陈庆之进入洛阳，接受北魏百官的朝拜。南朝军队最后一次占领了洛阳城，以前，桓温、谢玄、刘裕等人都曾攻克洛阳，然而只有这一次，洛阳是作为北朝的首都被攻取的。
