Đến đông năm 588, quân Tùy tiến hành tấn công toàn diện vào Trần, với ba đạo quân lớn do hai hoàng tử của Tùy Văn Đế: Dương Quảng và Dương Tuấn, và thừa tướng Dương Tố thống lĩnh, Hạ Nhược Bật và Hàn Cẩm Hổ làm đại tướng, với sự trợ giúp của Cao Quýnh, dẫn 11 vạn quân chia làm 8 đường đánh Trần. Tùy Văn Đế hạ chiếu thư, tuyên bố thảo phạt triều Trần, vạch ra 20 tội trạng của Trần Thúc Bảo và in ra 30 vạn bản, cử người phân phát khắp nơi ở Giang Nam.

Tuy nhiên, tin tức về việc Thi Văn Khánh và Thẩm Khách Khanh (沈客卿) bị quân Tùy ngăn cản ở thượng du Trường Giang đã không đến chỗ Trần Thúc Bảo, do Thi Văn Khánh không nhận biết được đầy đủ mối đe dọa từ quân Tùy và không muốn làm những điều có thể ảnh hưởng đến kế hoạch trở thành thứ sử Tương châu (湘州, nay gần tương ứng với Trường Sa, Hồ Nam) của ông ta. Do đó, Dương Tố tấn công quân Trần từ thượng du Trường Giang mà không phải đối mặt với sự kháng cự đáng gờm nào và đã nhanh chóng kiểm soát được thượng du Trường Giang. Quân Trần vì thế không thể theo đường sông xuôi về hạ du để cứu viện cho kinh thành. Khi quân phòng thủ của Trần gửi thư cáo cấp về Kiến Khang, Trần Bá Tiên đang cùng các sủng phi và văn nhân vui thú, không quan tâm đến. Về sau, khi các đại thần xin họp, Trần Bá Tiên đành chấp thuận và nói: "đông nam là phúc địa, trước kia Bắc Tề đã tấn công ba lần, Bắc Chu tấn công hai lần, nhưng đều thất bại. Lần này, quân Tùy đến cũng chỉ là để nộp mạng, không có gì đáng lo ngại".

Vào mùa hè năm 589, tướng Tùy Hạ Nhược Bật (賀若弼) đã vượt Trường Giang từ Quảng Lăng (廣陵, nay thuộc Dương Châu, Giang Tô), và tướng Tùy Hàn Cầm Hổ (韓擒虎) đã vượt Trường Giang tại Thái Thạch (采石, nay thuộc Mã An Sơn, An Huy) mà không gặp phản sự kháng cự từ quân Trần, quân Tùy áp sát kinh thành Kiến Khang. Sau đó, Trần Thúc Bảo mới nhận thức được mức độ nghiêm trọng của tình hình, song thay vì sốt sắng kháng cự, ông lại hoảng sợ và để Thi Văn Khánh kiểm soát tình hình trên thực tế. Cuối cùng, tướng Tiêu Ma Ha (蕭摩訶) đã thuyết phục Trần Thúc Bảo cho phép mình giao chiến với Hạ Nhược Bật, bất chấp lời phản đối của tướng Nhâm Trung. Hạ Nhược Bật đã đánh bại và bắt giữ Tiêu Ma Ha, số quân Trần còn lại sụp đổ, quân Tùy tiến vào kinh thành triều Trần.

Trong hoảng loạn và bị các hạ thần bỏ rơi, Trần Thúc Bảo đã trốn trong một cái giếng cùng với Trương quý phi và Khổng quý tần, song bị quân Tùy phát hiện và bắt giữ. Khi ông được đưa đến trước mặt Hạ Nhược Bật, ông lo sợ đến nỗi phủ phục trước mặt viên tướng Tùy này, hành động này khiến Hạ Nhược Bật khinh miệt ông. Tuy nhiên, ông cùng gia quyến nhìn chung được các tướng Tùy đối đãi tốt, song Cao Quýnh đã quy trách nhiệm về sự sụp đổ của Trần cho Trương quý phi và hành quyết bà. Một số tướng Trần tiếp tục kháng cự, song nhanh chóng bị đánh bại, đặc biệt là khi theo yêu cầu của quân Tùy, Trần Thúc Bảo đã viết thư lệnh cho các tướng Trần phải đầu hàng. Ngay sau đó, quân Tùy hộ tống Trần Thúc Bảo và gia quyến đến kinh đô triều Tùy- Đại Hưng thành- gần cố thành Trường An.