闰十月十八日，宋军水师攻克当涂，进抵采石矶，拟从这里渡江。闰十月廿三日，曹彬率领的宋军主力沿长江南岸水陆并进，击败2万南唐军，夺占要隘采石矶，俘获1000余人，又获战马300余匹。捷报传至汴京，赵匡胤命令将事先在石牌口构建好的浮桥顺江东移至采石，以便驻屯在江北和州(今安徽和县)的潘美先遣部队步骑兵渡江，尽快与曹彬主力部队会合。

宋军曹彬、潘美主力渡江会师后，立即向金陵推进，发起猛烈进攻。自十一月下旬起，连克金陵西南的新林、白鹭洲和新林港口。抵达金陵西南郊后，曹彬命水军指挥田祚钦部进攻金陵以南重镇溧水。975年正月初八，宋军田祚钦部攻克溧水，南唐守将李雄父子战死，金陵南部失去屏障。

宋兵磨刀霍霍准备攻城，李煜竟全然不知，所以并不紧张。都到这个时候了，他居然还委派伍乔主持贡举，在金陵城内进行了南唐最后一次科举考试，放进士孙确等38人及第，似乎天下太平。此外，他每天还请僧道进宫讲经谈易，只等宋师自己退走。

曹彬大军从三面围攻金陵，李煜亲率5000兵夜袭宋军北寨，未果。军机紧迫得大文学家李煜都亲自领兵上阵。月中，曹彬派人对李煜说：“此月廿七日，城必破矣!宜早为之所(早作打算，留有后路)。”李煜虽知城必不保，但又以为金陵城墙坚固，岂有计日而破之理。

身为国君，李煜对战局竟不十分清楚。当时，金陵守将有才略者寥寥无几，只有宜春人卢绛稍有威望。当宋师兵临秦淮河之际，卢绛依凭水寨，拼力拒战，多次挫败宋兵渡河企图。然而，卢绛的战功不仅没有得到李煜的赏赐，反倒引起皇甫继勋忌恨。

皇甫继勋又借口润州危急，说服李煜委派卢绛率军增援。尽管李煜不甚了解战局细节，但对大体形势尚知一二。宋师渡江已经半年，不仅没有不战自溃，反而愈战愈勇，加之吴越之兵已破常州，万一润州失守，金陵就将成为一座孤城，即使城池坚固，亦必不能持久。其实，金陵外围的南唐守军已基本被消灭，据点被夺占，金陵已成一座孤城。

五月，李煜亲自登城察看形势，见宋师旌旗遍野，垒栅纵横，如梦方醒，又惊又怒。他立即召皇甫继勋入宫答话，责其隐瞒军情、流言惑众、御敌不力，下令处死。皇甫继勋刚被推出宫门，侩子手还没动手，聚观军士就一拥而上，把他乱刀砍死分吃了，一会工夫就吃了个干干净净。这是继南朝侯景被人吃掉之后，又一个被吃掉的人。六月，卢绛援军到达润州，发觉刘澄有降宋之意，急忙率部退出城外。李煜闻报大惊，下令尽诛其家。

为迁延时日，李煜与曹彬约定，先派其子李仲寓入朝。曹彬派人催促，李煜推脱道：“仲寓趋装(行装)未办，宫中宴饯(践行)未毕，廿七日乃可出也。”曹彬旋又派人对李煜说：“若廿六日出，亦无及矣!”李煜不从。廿七日，宋军破城，守将呙彦、马诚信、马承俊等在巷战中战死。李煜奉表投降。至此，南唐灭亡。