太尉司马乂带着惠帝打败了司马颖后，回军迎击攻入洛阳的张方，张方的士卒远远看到皇帝的御驾来了，慑于皇帝的龙威，全都畏缩不前，继而后撤，司马乂的军队趁机追杀，张方部队大败，被杀死五千多人。

张方军队撤退到洛阳西边的十三里桥驻扎，士兵们都惶恐如惊弓之鸟，想连夜逃走，张方不服输，给大家打气道：“胜败是兵家常事，善用兵者会转败为胜，我们要出其不意，不退反进，构筑工事，这才妙计啊！”众将士一听有道理，就趁夜色掩护，悄悄逼近距洛阳城七里处，修筑了多层堡垒，抢夺外面仓库的粮食作为军粮。

再说司马乂。获胜后，他本认为张方已经不足为虑，现在突然接到了张方在城外构筑堡垒的消息，赶紧率领军队进攻，却没有攻克。朝廷大臣认为司马乂、司马颖是亲兄弟，打断骨头连着筋，他们的矛盾是可以调和的，就派能说会道的中书令王衍等人到司马颖那里劝说，说如果司马颖罢兵，可以把全国一分为二，他和司马乂各占一方，但司马颖不答应。司马乂又亲自给司马颖写信要求和解，司马颖回信说：“如果你杀了皇甫商等人，我就率兵回邺城。”杀了皇甫商就是斩了自己的左膀右臂，这条件司马乂当然也不能接受。

谈不拢就继续打吧，司马颖亲自率兵进攻洛阳。另一方面，张方坏点子多，他命人把千金堨（古代水利工程）中的水放掉，使洛阳城内水井枯竭，舂米的水碓也因无水可用而停止工作，朝廷无奈，只能发布动员令，让王侯公爵家中的奴婢动手捣谷米以供应军粮。但城池被包围，城中粮食渐渐短缺，每石米的价格被抬升到一万钱；不仅粮食短缺，人员也一样，于是一品官员不在军营的，家中十三岁以上的男子全部充当后备役部队，又征调奴仆充实军队。总之，为了抵御来自司马颖和张方的攻击，洛阳全城动员。

司马乂府中主簿祖逖对司马乂说道：“雍州刺史刘沈忠义可嘉，善于用兵，他的兵力足以对付河间王司马颙，您应当命刘沈出兵，这样司马颙出于自保，必定会召张方回去救援，这是上策。”司马乂同意了。刘沈接到皇帝的命令后，命人骑快马向各郡传达，各郡纷纷响应。刘沈组织自己治下七个郡的一万多将士，向长安进发。

司马乂派皇甫商拿着惠帝司马衷的亲笔诏书秘密出发，去金城郡太守游楷等处让他们停止攻打皇甫重，并命令皇甫重出兵讨伐司马颙。皇甫商化妆成普通百姓，低调行路，走到了新平郡（今陕西彬县）。无巧不成书，他在这里遇到他的一个堂外甥，而这个堂外甥又一直非常憎恨皇甫商，就向司马颙告发了皇甫商的行踪。司马颙大喜，平时找都找不到的人，今天竟然得来全不费工夫，立即命人逮捕了皇甫商，将他斩首。

司马乂依仗洛阳城池坚固，多次击退司马颖的攻势，斩杀六七万人。即使是在战事最紧张的时候，司马乂对皇帝司马衷也非常尊重，礼节一如平常。城中粮食日渐匮乏，但将士们依然顽强抵抗。张方这边吃不消了，他认为洛阳攻陷不了，打算带部队回长安。但正在这个时候，洛阳城内突然发生变故。

殿中各将领和三部司马疲于奔命，起了异心。他们认为这样下去肯定不是张方的对手，不如干掉司马乂投降张方，于是左卫将军朱墨等人逼着东海王司马越牵头，于太安三年（304）正月二十五日突然冲入司马乂大营，逮捕了司马乂。

二十六日，司马越在禀告司马衷后，解除了司马乂所有官职，把他囚禁在金墉城，大赦天下，改年号为“永安”。但是等他们打开洛阳城门以后，才发现张方的军队已经疲惫不堪，军容不整，根本不是皇家军队的对手，一些将领们有些后悔，打算解救司马乂，集结队伍重新对抗张方。司马越害怕司马乂出狱后报复自己，决定杀了他，断绝大家反攻的想法。黄门侍郎潘滔派人将城内的事秘密通知了张方，对司马越说道：“王爷不用担心，自会有人替您除去隐患。”

太安三年（304）正月二十八日，张方部将郅辅率领三千大军到金墉城带走了司马乂。张方为人极为残忍，司马乂被带到大营后，张方命人点起大火，把司马乂架起来放到火上。司马乂被活活烤死了，死时年仅二十八岁，他的惨叫声传出去很远，就连张方的士兵听到后也无不落泪。八王之乱中第五王的统治终结了，当权一年又两个月。司马乂被埋葬到洛阳城东，他的旧属只有刘佑一人前去送葬。张方倒是觉得刘佑是个义士，没有追究。

大将军司马颖率军进入洛阳，大概出于安全考虑，很快就又返回了邺城，让朝中公卿大臣都到邺城向他请罪。司马衷下诏任命司马颖为丞相，司马越为守尚书令（即代尚书令）。司马颖派奋武将军石超率军五万把守洛阳的十二个城门，把朝中过去和自己有过节的人全部杀掉，宫廷禁卫军也全部换上了自己的嫡系部队。他上书奏请任命卢志为中书监，但仍让他留在邺城，处理丞相府的日常事务。

河间王司马颙本在郑县（今陕西华县）驻扎，声援张方部队，听说雍州刺史刘沈率军进攻长安，便派军迎战，结果大败，惊慌之下赶紧退守长安，并急召张方回军。张方命士兵在洛阳掳掠了官家私家的奴婢一万多人后匆忙西归，半路军中缺粮，就把人杀了混在牛马肉中充饥，场面惨不忍睹。

刘沈率军渡过渭水，所向披靡，司马颙屡战屡败。刘沈派安定太守衙博、功曹皇甫澹带五千精兵杀入长安城内，一直冲到司马颙军营前，他自己带兵作为后援，可是却因故未能按时到来。冯翊太守张辅发现衙博等人是孤军奋战，后继无援，大喜，带部队拦腰攻击，衙博和皇甫澹不敌被杀，剩下的残余士兵逃出长安。

张方派他的部将敦伟夜袭刘沈，刘沈不敌，被敦伟抓获，带到司马颙面前。刘沈对司马颙说：“您对我有知遇之恩（司马颙曾经让刘沈做军师），但君臣之间的大义更重。我被您抓住，今天纵然被剁成肉酱，也无怨无悔。”司马颙听后暴跳如雷，命人对刘沈先施以鞭刑，而后腰斩。新平太守张光多次为刘沈出谋划策，司马颙质问他，张光说道：“就是因为刘沈不采纳我的计策，大王才能有今天的胜利！”司马颙哈哈大笑，认为他是个人才，邀他一起喝酒作乐，还上书推荐张光为洛阳的右卫司马。