Tháng 6 năm 545, nhà Lương cử một đạo quân khác sang đánh Vạn Xuân, do hai tướng thiện chiến là Dương Phiêu và Trần Bá Tiên chỉ huy, theo đường biển tiến sang. Lý Nam Đế chống cự ở Chu Diên (vùng duyên hải Hải Dương, Hưng Yên, Lục đầu giang?) không nổi, lui về củng cố thành trì ở cửa sông Tô Lịch (nay là đoạn phố Chợ Gạo, Hà Nội).

Quân Lương đuổi tới tấn công. Phạm Tu lập sở chỉ huy tiền phương (bên Hồ Hoàn Kiếm ngày nay) giữ cửa sông Tô Lịch được vài tháng, nhưng vì tuổi cao sau nhiều năm xung trận, quân giặc lại đông, gặp lúc hiểm nghèo nên Lão tướng Phạm Tu đã hy sinh anh dũng vào ngày 20 tháng 7 âm lịch (tức 12 tháng 8 năm 545), thọ 70 tuổi.

Lý Nam Đế rút quân vào Gia Ninh đóng đồn ở hồ Điển Triệt, luyện tập binh mã để sau khôi phục lại.

Xét công trạng của Phạm Tu, nhà Vua truy phong Phạm Tu là Long Biên hầu, đặt thuỵ là Đô Hồ, phong làm Bản cảnh thành hoàng, sắc cho bản hương là Thang Mộc ấp, sưu sai tạp dịch đều được miễn trừ, ban 100 nén bạc lập miếu phụng sự lưu truyền mãi mãi tại làng Thanh Liệt quê ông.