汉武帝于是从甘泉宫返回，来到长安城西建章宫，颁布诏书征调三辅附近各县的军队，部署中二千石以下官员，归丞相兼职统辖。刘据也派使者假传圣旨，将关在长安中都官狱中的囚徒赦免放出，命少傅石德及门客张光等分别统辖；又派长安囚徒如侯持符节征发长水和宣曲两地的胡人骑兵，一律全副武装前来会合。
侍郎马通受汉武帝派遣来到长安，得知此事后立即追赶前去，将如侯逮捕，并告诉胡人：“如侯带来的符节是假的，不能听他调遣！”
于是将如侯处死，带领胡人骑兵开进长安；又征调船兵楫棹士，交给大鸿胪商丘成指挥。当初，汉朝的符节是纯赤色，因刘据用赤色符节，所以在汉武帝所发的符节上改加黄缨以示区别。
刘据来到北军军营南门之外，站在车上，将护北军使者任安召出，颁与符节，命令任安发兵。但任安拜受符节后，却返回营中，闭门不出。刘据带人离去，将长安四市的市民约数万人强行武装起来，到长乐宫西门外，正遇到丞相刘屈氂率领的军队，双方会战五天，死亡数万人，鲜血像水一样流入街边的水沟。民间都说“太子谋反”，所以人们不依附太子，而丞相一边的兵力却不断加强。
庚寅（十七日），刘据兵败，南逃到长安城覆盎门。司直田仁正率兵把守城门，因觉得刘据与汉武帝是父子关系，不愿逼迫太急，所以使刘据得以逃出城外。刘屈氂要杀田仁，御史大夫暴胜之对刘屈氂说：“司直为朝廷二千石大员，理应先行奏请，怎能擅自斩杀呢！”于是刘屈氂将田仁释放。
汉武帝听说后大发雷霆，将暴胜之逮捕治罪，责问他道：“司直放走谋反的人，丞相杀他，是执行国家的法律，你为什么要擅加阻止？”
暴胜之惶恐不安，自杀而死。汉武帝下诏派宗正刘长、执金吾刘敢携带皇帝下达的谕旨收回皇后的印玺和绶带，卫皇后自杀。
汉武帝认为，任安是老官吏，见出现战乱之事，想坐观成败，看谁取胜就归附谁，对朝廷怀有二心，因此将任安与田仁一同腰斩，汉武帝因马通擒获如侯，封其为重合侯；长安男子景建跟随马通，擒获石德，封其为德侯；商丘成奋力战斗，擒获张光，封其侯。刘据的众门客，因曾经出入宫门，所以一律处死；凡是跟随刘据发兵谋反的，一律按谋反罪灭族；各级官吏和兵卒凡非出于本心，而被刘据挟迫的，一律放逐到敦煌郡。因刘据逃亡在外，所以开始在长安各城门设置屯守军队。
汉武帝愤怒异常，群臣感到忧虑和恐惧，不知如何是好。壶关三老令狐茂上书汉武帝说：“我听说：父亲就好比是天，母亲就好比是地，儿子就好比是天地间的万物，所以只有上天平静，大地安然，万物才能茂盛；只有父慈，母爱，儿子才能孝顺。如今皇太子本是汉朝的合法继承人，将承继万世大业，执行祖宗的重托，论关系又是皇上的嫡长子。江充本为一介平民，不过是个市井中的奴才罢了，陛下却对他尊显重用，让他挟至尊之命来迫害皇太子，纠集一批奸邪小人，对皇太子进行欺诈栽赃、逼迫陷害，使陛下与太子的父子至亲关系隔塞不通。
太子进则不能面见皇上，退则被乱臣的陷害困扰，独自蒙冤，无处申诉，忍不住忿恨的心情，起而杀死江充，却又害怕皇上降罪，被迫逃亡。太子作为陛下的儿子，盗用父亲的军队，不过是为了救难，使自己免遭别人的陷害罢了，臣认为并非有什么险恶的用心。《诗经》上说：‘绿蝇往来落篱笆，谦谦君子不信谗。否则谗言无休止，天下必然出大乱。’
以往，江充曾以谗言害死赵太子，天下人无不知晓。而今陛下不加调查，就过分地责备太子，发雷霆之怒，征调大军追捕太子，还命丞相亲自指挥，致使智慧之人不敢进言，善辩之士难以张口，我心中实在感到痛惜。希望陛下放宽心怀，平心静气，不要苛求自己的亲人，不要对太子的错误耿耿于怀，立即结束对太子的征讨，不要让太子长期逃亡在外！我以对陛下的一片忠心，随时准备献出我短暂的性命，待罪于建章宫外。”
奏章递上去，汉武帝见到后受到感动而醒悟，但还没有公开颁布赦免。
刘据向东逃到湖县，隐藏在泉鸠里。主人家境贫寒，经常织卖草鞋来奉养刘据。刘据有一位以前相识的人住在湖县，听说很富有，刘据派人去叫他，于是消息泄露。八月辛亥（初八），地方官围捕刘据。刘据自己估计难以逃脱，便回到屋中，紧闭房门，自缢而死。前来搜捕的兵卒中，有一山阳男子名叫张富昌，用脚踹开房门。新安县令史李寿跑上前去，将刘据抱住解下。主人与搜捕刘据的人格斗而死，二位皇孙也一同遇害。汉武帝感伤于刘据之死，便封李寿为邘侯，张富昌为题侯。
征和三年（公元前90年），官吏和百姓以巫蛊害人罪相互告发的，经过调查发现多为有不实。此时汉武帝也颇知太子刘据是因被江充逼迫，惶恐不安，才起兵诛杀江充，并无他意，正好守卫汉高祖祭庙的郎官田千秋又上紧急奏章，为刘据鸣冤说：“作儿子的擅自动用父亲的军队，其罪应受鞭打。天子的儿子误杀了人，又有什么罪呢！我梦见一位白发老翁，教我上此奏章。”
于是汉武帝霍然醒悟，召见田千秋，对他说：“我们父子之间的事，一般认为外人难以插言，只有你知道其间的不实之处。这时高祖皇帝的神灵派您来指教于我，您应当担任我的辅佐大臣。”
立即就任命田千秋为大鸿胪，并下令将江充满门抄斩，将苏文烧死在横桥之上。曾在泉鸠里对太子兵刃相加的人，最初被任命为北地太守，后也遭满门抄斩。汉武帝怜惜刘据无辜遭害，便特修一座思子宫，又在湖县建了一座归来望思之台，天下人听说这件事后，都很悲伤。
事情水落石出后，汉武帝追悔莫及，便转手报复当初参与谋害刘据的人，丞相刘屈氂等相关人物被以各种理由被杀或自杀，牵连甚广。
征和三年（公元前90年），内侍郭穰密告丞相刘屈氂夫人诅咒汉武帝，并与贰师将军李广利共祷祠，欲令昌邑王为帝。后刘屈氂被腰斩于东市，其妻则是枭首华阳街，李广利妻子被捕。李广利当时正在前线打仗，得知消息后仓促出击匈奴，兵败后投降，后来在卫律的运作下被杀。
后元元年（前88年），参与镇压太子的马通，与亲近江充的兄长侍中仆射马何罗，因江充被灭族而心怀恐惧，合谋持刀入武帝卧室行刺，为金日磾发觉搏拘，被处死。
汉武帝死后，幼子刘弗陵登基，是为汉昭帝。汉昭帝早逝无子，霍光等人于是立汉武帝之孙刘贺，刘贺登基不久因为品行恶劣又被霍光废掉。然后，霍光立了戾太子刘据唯一幸存的孙子刘病已为帝，汉朝帝位回到刘据的后裔手上。
历史评价
班固：巫蛊之祸，岂不哀哉！此不唯一江充之辜，亦有天时，非人力所致焉。建元六年，蚩尤之旗见，其长竟天。后遂命将出征，略取河南，建置朔方。
其春，戾太子生，自是之后，师行三十年，兵所诛屠夷灭死者不可胜数。及巫蛊事起，京师流血，僵尸数万，太子子父皆败。故太子生长于兵，与之终始，何独一嬖臣哉！秦始皇即位三十九年，内平六国，外攘四夷，死人如乱麻，暴骨长城之下，头卢相属于道，不一日而无兵。
由是山东之难兴，四方溃而逆秦。秦将吏外畔，贼臣内发，乱作萧墙，祸成二世。故曰“兵犹火也，弗戢必自焚”，信矣。是以仓颉作书，“止”“戈”为“武”。圣人以武禁暴整乱，止息兵戈，非以为残而兴纵之也。
《易》曰：“天子所助者顺也，人之所助者信也；君子履信思顺，自天佑之，吉无不利也。”故车千秋指明蛊情，章太子之冤。千秋材知未必能过人也，以其销恶运，遏乱原，因衰激极，道迎善气，传得天人之佑助云。