奚斤一看，信上果然都是些问候话，对此将信将疑，就拿了几封回去鉴定。哪知到了晚上，毛德祖的间谍就去奚斤那里送信，交到他手里才装做认错人了。奚斤可不上当，连忙抢过来一看，这回的信件内容和从公孙表那里要来的可大不一样，都是商量如何杀掉自己共同造反的，然后一核对笔迹，果然几封信都出自一个人的手里，奚斤就把这些信都送到拓拔嗣那里。
拓拔嗣一开始也不敢相信，旁边有个算命先生，经常被公孙表指责是骗子，这会趁机火上浇油，说“虎牢之所以打不下来，都是因为公孙表的军营位置不好，专挑死地扎营，公孙表对兵法深有研究，一定是故意的”云云。拓拔嗣大怒，派人将公孙表勒死，将他的部队划归奚斤指挥。
江南援救豫州的宋军四处云集，全都在项城会合。刘义真派出的三千军队到这里也不敢前进，等西线最高统帅刘义真慢吞吞地到了项城后，大家都畏惧北魏的战力，互相推委都不想前进。为了照顾大家的面子，刘义真就向建康上表说：“敌人大军进攻虎牢，并没有南侵的意思。如果对方把项城占领了，则淮河一带就失去屏障了，不如让我军死守项城为上。”不久上头批示说刘义真体恤将士用兵谨慎当然准奏，于是一群饭桶都躲在项城看虎牢的笑话。
拓拔嗣也得到确切信息说宋军集结项城却无一前来救援或反攻，自然是天助我也。就下令全体军队都到虎牢城下会齐，几天后东线作战的叔孙建也前来增援。十多万魏军在拓拔嗣的亲自指挥下向虎牢发动日夜不停的进攻，奚斤、周几、崔浩、于栗磾、长孙嵩、叔孙建等北魏名将日夜轮值，虎牢被围二百天，无日无夜不在恶战，守军越打越少，而北魏军却越打越多。不久北魏军攻破虎牢外城，毛德祖又在城里修筑三重城墙守卫，又被魏军攻破两重。宋军只能死守最后的一道城墙，昼夜作战，毛德祖衣不解带，吃住都在城墙上，将士们都感激他的恩义，几乎都双眼生疮，仍无一人出门投降。
魏军十多万人，日常花消太大实在供应不起，而虎牢的抵抗又如此顽强，拓拔嗣就在虎牢周围遍地挖深井，抽光虎牢城周围的地下水，宋军人马都没有水喝，受伤者身上都不再流血，魏军的攻势却更加猛烈，终于攻进内城。
虎牢失守后，毛德祖的卫兵准备护送他撤离，毛德祖推辞说：“我发誓与此城共存亡，绝对不会在城陷后苟活于世。你们可以回建康报告战况。”谢绝撤退，继续和魏军展开巷战。拓拔嗣深为感动，命令手下见到毛德祖不准伤他。毛德祖力竭被俘，不发一言而死。全城仅有二百士兵撤回建康，其余全部阵亡。直到魏军撤退，项城守军无一来增援。
北魏付出重大代价，取得了西线作战的胜利，但东线并不太理想。叔孙建的部队打到临淄后就因为补给跟不上，不得不停下来掠夺当地百姓的粮食。临淄四周都是山，百姓都往山上跑，把叔孙建饿了好几天才搞到点粮草。这样一来就给了东线宋军宝贵的时机来集结进行防御。宋国残余的兵力大多集结在南燕故都广固，后来被宋改名为东阳。