元颢进入洛阳后，陈庆之的军事成就达到了巅峰。然而，政治局势的复杂性远远超过了单纯的军事征服。元颢称帝后，很快暴露出了昏庸无能的一面，日夜宴乐，不问政事，与安丰王元延明、临淮王元彧等谋划背叛梁朝的恩情。
陈庆之敏锐地察觉到局势的危险性。他深知，北魏尔朱荣的势力并未被彻底消灭，元颢的统治并不得人心，而自己的兵力过于薄弱，难以控制广大地区。在这种情况下，陈庆之向元颢提出了一个富有远见的建议：“今远来至此，未伏尚多，若人知虚实，方更连兵，而安不忘危，须预为其策。宜启天子，更请精兵；并勒诸州，有南人没此者，悉须部送。”
陈庆之建议向梁武帝请求增派援军，同时收容在北魏的南朝人，扩充兵力。这一建议本是当时局势下的明智之举，但却引起了元延明的警惕。他劝告元颢：“陈庆之兵不出数千，已自难制；今增其众，宁肯复为用乎？权柄一去，动转听人，魏之宗社，于斯而灭。”
元延明认为陈庆之兵力不多已经难以控制，如果再增加他的兵力，将更加无法驾驭。
元颢听信了元延明的谗言，对陈庆之产生猜疑，表面上以“河北、河南一时已定，唯尔朱荣尚敢跋扈，臣与庆之自能擒讨。今州郡新服，正须绥抚，不宜更复加兵，摇动百姓”为借口，拒绝增兵，并上表梁武帝，让后续梁军停止前进。
陈庆之的属下佛念洞察局势的危急，向陈庆之进言：“功高不赏，震主身危，二事既有，将军岂得无虑？自古以来，废昏立明，扶危定难，鲜有得终。今将军威震中原，声动河塞，屠颢据洛，则千载一时也。”他劝陈庆之废黜元颢，自立为主，把握这千载难逢的机会。
然而，陈庆之严词拒绝了这一建议。他始终保持着对梁朝的忠诚，不愿趁势自立。但他也意识到局势的危险，于是请求出任徐州刺史，以求离开洛阳这是非之地。元颢心中忌惮陈庆之，不愿放他离开，借口推脱道：“ 主上以洛阳之地全相任委，忽闻舍此朝寄，欲往彭城，谓君遽取富贵，不为国计，手敕频仍，恐成仆责。”
陈庆之不敢再言。果然，不久之后，北魏最大的军事强人尔朱荣开始反扑。他挟持魏孝庄帝元子攸，会合尔朱世隆、元天穆、尔朱吐没儿等部，“勒众号百万”，实际兵力约三十万，挟雷霆万钧之势，向洛阳扑来。
元颢占据洛阳仅六十五日，他所占领的城池一时间纷纷反叛。面对如此危局，陈庆之并没有慌乱，他冷静分析形势，决定渡过黄河，驻守北中郎城，构筑防线，阻击尔朱荣大军。尔朱荣率领的北魏大军与陈庆之在北中郎城展开了惨烈的攻防战。“三日中十有一战”，陈庆之以区区数千兵力，抵挡住了尔朱荣数十万大军的轮番猛攻，给予敌军重大杀伤。尔朱荣久攻不下，一度心灰意冷，“议欲还北，更图后举”，可见陈庆之的抵抗给尔朱荣造成了多大的困扰和损失。
然而，军事上的顽强抵抗无法弥补政治上的脆弱。尔朱荣见强攻陈庆之防线不下，遂改变策略，避开陈庆之的防区，转而从其他地点渡河，直接攻击洛阳。元颢的防线顷刻间土崩瓦解，他本人率数百骑南逃，在临颍被魏军追击杀死。洛阳陷落。
元颢败亡后，陈庆之及其白袍军成为孤悬敌后的孤军。在这种情况下，陈庆之决定全军南归。他集结马步数千人，结阵东返。尔朱荣亲率大军追击，但慑于陈庆之的威名，不敢过分紧逼。
然而，天有不测风云。当陈庆之军队撤退至蒿高（今河南嵩县一带）时，遭遇了罕见的山洪暴发。滔滔洪水席卷而来，正在渡河的梁军措手不及，“军人死散”。这支曾经横扫中原、击溃数十万魏军的白袍精锐，不幸毁于自然灾害。
陈庆之本人幸免于难，但孤身一人，处境危险。他机智地落须发为沙门，化装成僧人，潜行至豫州（今河南汝南一带）。在豫州，他得到当地人程道雍等的帮助，被秘密送出汝阴，最终安全返回建康。
尽管此次北伐最终功败垂成，但陈庆之以七千兵力横扫中原，攻占洛阳，创造了中国战争史上的奇迹。他率领的白袍军威震华夏，“名师大将莫自牢，千兵万马避白袍”的童谣，也成为中国军事史上不朽的传奇。
回到建康后，梁武帝并没有因北伐失败而责备陈庆之，反而“仍以功除右卫将军，封永兴县侯，邑一千五百户”。这表明梁武帝充分认识到陈庆之的军事才能和功绩，北伐的失败更多是由于政治因素和不可抗的自然灾害，而非陈庆之指挥失误。
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