伊对的话让拓跋焘下定了攻灭北凉的决心，太延四五年（公元439年，刘宋元嘉十六年）五月丁丑日，拓跋焘开始在平城西郊训练军队，为大军出征做好准备。
六月甲辰日，拓跋焘率大军从平城出发，留下侍中、宜都王穆寿辅佐太子拓跋晃，并主持朝政。为了防备柔然，拓跋焘又派大将军、长乐王嵇敬，以及辅国大将军、建宁王拓跋崇，率领二万人，屯驻漠南。
所谓师出有名，拓跋焘这次出征，先是历数了沮渠牧犍的十二项罪状，要求沮渠牧犍及早前来投降。七月己巳日，拓跋焘率军从云中渡过黄河抵达上郡属国城。随后让大军留下辎重，拓跋焘开始部署分派各军，派拓跋健、拓跋素和刘絜为前锋，分两路同时进发。拓跋焘又命令拓跋丕，杜超为后备军，平西将军源破羌为向导。
源破羌原名秃发破羌，字贺豆跋，南凉景王秃发傉檀之子。南凉亡国后，源贺随众投降西秦，父亲秃发傉檀被杀后，源贺逃往北凉，后又投奔北魏，得到拓跋嗣的赏识，赐姓源氏。因屡立军功，被授予平西将军，封西平郡侯。
因为是南凉宗室后裔，源破羌在姑臧附近还是有一定影响力的。所以当拓跋焘向源破羌询问破敌之策之时，源破羌表示姑臧附近四个鲜卑族部落，都是他祖父的老部下，源破羌愿意为拓跋焘去招降他们，确保北魏军围攻姑臧时没有其它的顾虑。拓跋焘当然是十分高兴地让源破羌放手去干。
八月，北魏的前锋部队也进展顺利，拓跋健缴获了北凉牲畜共二十余万头。这让沮渠牧犍大为惊恐，他急忙召集群臣商议对策。左丞相姚定国献策，沮渠牧犍只需坚守城池，然后向柔然请求救兵，沮渠牧犍采纳了这个计策。
但沮渠牧犍还是准备趁北魏军队立足未稳，准备给他们一点教训，就派出他的弟弟沮渠董率领一万人马，在城南出城迎战北魏军。结果北凉军十分畏惧北魏大军，一下子就望风崩溃。面对如此良机，刘絜却听信占卜人的预言，以日子不吉利为由，召回军队没有乘胜追击，沮渠董来才得以逃进姑臧城。刘絜此举让拓跋焘火冒三丈。
八月丙申日，拓跋焘大军也抵达姑臧城下，他派人通知沮渠牧犍，要求他迅速出城投降。结果沮渠牧犍听说柔然马上要出兵进攻北魏的边境了，所以他认为拓跋焘会率军东还援救国内，就拒绝了拓跋焘。
但沮渠牧犍没想到出了内奸，自己的侄儿沮渠祖，翻越城墙投降了北魏军，并将沮渠牧犍的底细都向拓跋焘汇报得一清二楚。拓跋焘在了解了北凉的真实情况后，命大军包围了姑臧城。另一边源破羌也成功招抚了他祖父的旧部，拓跋焘已无后顾之忧，得以集中全力攻城。就在这时拓跋焘看到姑臧城外水草茂盛，就相信了崔浩所说的，并由此痛恨李顺。
九月丙戌日，沮渠牧犍的另一个侄儿沮渠万年也做了叛徒，率领自己的部众投降北魏，姑臧也随即被北魏拿下。大势已去的沮渠牧犍只得率领文武官员五千人，双手反绑，亲自向拓跋焘请降。拓跋焘倒也没为难他，下令解开沮渠牧犍的绳索，并以礼相待。
拿下姑臧后，拓跋焘下令向地方各郡宣布消息，各族胡人投降北魏的又有几十万。但北凉地方实力犹在，沮渠牧犍之弟沮渠无讳担任沙州刺史、都督建康以西诸军事，兼任酒泉太守。沮渠宜得为秦州刺史、都督丹岭以西诸军事，兼任张掖太守。沮渠安周为乐都太守，沮渠唐儿为敦煌太守。
这些势力是必须拔除的，拓跋焘于是派镇南将军奚眷袭取张掖。镇北将军封沓进攻乐都。面对强大的北魏军，沮渠宜得只能下令烧毁仓库，然后向西逃往酒泉。沮渠安周则向南逃往吐谷浑。奚眷随后乘胜追击进攻酒泉，沮渠无讳与沮渠宜得一起招集残部投奔晋昌，随后又前往敦煌投奔沮渠唐儿。北魏成功拿下酒泉，武威、张掖几处要地，北凉基本宣告灭亡。
就在拓跋焘对北凉用兵之时，柔然也正在对北魏的边境展开袭扰。柔然可汗郁久闾吴提留他的哥哥郁久闾乞列归与北魏长乐王嵇敬、建宁王拓跋崇在北镇相持。郁久闾吴提自己则亲自率兵深入北魏腹地，直抵善无的七介山。
面对柔然大军来袭，北魏都城平城的居民大为惊恐，争相逃进内城。留守的穆寿也不知所措，一度打算堵塞西城门，请太子拓跋晃逃往南山躲避，但被窦太后制止。穆寿只能派遣司空长孙道生、征北大将军张黎在吐颓山阻击敌人。
正巧赶上嵇敬和建宁王拓跋崇在阴山北面击败了郁久闾乞列归的军队，并生擒郁久闾乞列归及其伯父郁久闾他吾无鹿胡，以及柔然的将领五百人，并斩杀士卒一万多人。这让郁久闾吴提十分恐慌，他怕两路北魏军夹攻自己，就率部撤退。北魏也随即展开追击，军队一直追到漠南才返回。
拓跋焘也于十月辛酉日率军班师回朝，他留下拓跋丕和征西将军贺多罗镇守凉州，同时强行迁徙沮渠牧犍王室以及北凉的官员和老百姓共三万户到平城。对于沮渠牧犍，拓跋焘仍把他当作妹婿来对待，仍命沮渠牧犍担任征西大将军、河西王。随着北凉的灭亡，拓跋焘完成了统一北方的壮举，南北对峙的时代也真正来临。
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