孝武帝向群臣问计，有人建议投奔梁朝，有人建议往南依靠贺拔胜，有人建议往西去关中，有人建议守洛口拼死一战，始终没定下来。元斌之与斛斯椿争权，扔下斛斯椿逃回洛阳，骗孝武帝说：“高欢的军队已经到了！”丁未日，孝武帝派人召斛斯椿回来，随后率南阳王元宝炬、清河王元亶、广阳王元湛及五千骑兵在瀍水西岸宿营，南阳王身边的僧人惠臻背着玉玺、手持千牛刀随行。众人知道孝武帝要往西逃，当天夜里，逃走的士兵超过一半，元亶、元湛也逃了回去（元湛是元深的儿子）。武卫将军、云中人独孤信单骑追上孝武帝，孝武帝叹息说：“将军辞别父母、舍弃妻儿来追我，‘乱世识忠臣’，这话真不假啊！”戊申日，孝武帝往西逃往长安，李贤在崤山途中迎接他。己酉日，高欢进入洛阳，住在永宁寺，派领军娄昭等人追击孝武帝，请他往东回来。长孙子彦守不住陕城，弃城逃走。高敖曹率精锐骑兵追击孝武帝到陕城西边，没追上。孝武帝策马狂奔，干粮和水都断绝了，两三天里，随从官员只能喝山涧水。到湖城时，有个王思村的百姓献上麦饭和水，孝武帝很高兴，免除了这个村子十年的赋税。到稠桑时，潼关大都督毛鸿宾迎接孝武帝，献上酒食，随从官员才解除饥渴。
八月甲寅日，丞相高欢召集文武百官，对他们说：“作为臣子侍奉君主，要在危难时匡救社稷；如果君主在朝时不劝谏，出逃时不随从，太平日子就争宠求荣，危急时刻就弃主逃跑，这算什么臣子气节！”众人没人能回答，兼尚书左仆射辛雄说：“主上和身边亲信谋划事务，我们这些人根本没能参与。等到主上往西出逃，我们如果立刻追随，恐怕会被视作奸佞同党；留下来等大王您，又会因‘不从主上’受责罚——我们进退都逃不掉罪责。”高欢说：“你们身居大臣之位，本该以死报国。那群奸佞专权时，你们可曾说过一句劝谏的话！让国家落到今天这步田地，罪责该归谁！”于是逮捕辛雄及开府仪同三司叱列延庆、兼吏部尚书崔孝芬、都官尚书刘弎、兼度支尚书天水人杨机、散骑常侍元士弼，把他们全杀了。崔孝芬的儿子、司徒从事中郎崔猷从小路逃入关内，孝武帝让他以原官职掌管门下省事务。高欢推举司徒清河王元亶为大司马，让他秉承皇帝旨意处理朝政，暂居尚书省。
宇文泰派赵贵、梁御率二千铁甲骑兵迎接孝武帝，孝武帝沿着黄河往西走，对梁御说：“这黄河水往东流，我却往西去。如果将来能再回洛阳、亲自祭拜祖宗陵庙，全靠你们的功劳啊。”孝武帝和身边人都流下眼泪。宇文泰备好仪仗卫队迎接孝武帝，在东阳驿拜见，摘下帽子流泪说：“臣没能阻止贼寇作乱，让陛下流亡在外，这是臣的罪过。”孝武帝说：“您的忠诚气节，天下人都知道。是我德行不足、不配当君主，才招来祸患，今天能见到您，我实在羞愧。现在我把国家托付给您，您一定要努力啊！”将士们都高呼万岁。孝武帝于是进入长安，把雍州官署当作皇宫，宣布大赦。任命宇文泰为大将军、雍州刺史，兼尚书令，军政大事全由他决定。又另外设置两名尚书，分管机密事务，由行台尚书毛遐、周惠达担任。当时军政机构刚建立，毛遐、周惠达囤积粮食、修造兵器、挑选兵马，北魏朝廷全靠他们支撑。宇文泰娶冯翊长公主为妻，被任命为驸马都尉。
此前，火星（荧惑）进入南斗星区，离开后又返回，在那里停留了六十天。梁武帝根据谚语“荧惑入南斗，天子下殿走”，光着脚走下宫殿台阶，想通过这种仪式消除灾祸；等到听说北魏孝武帝西逃，惭愧地说：“连北虏的君主也应验天象了吗！”
八月己未日，梁朝任命武兴王杨绍先为秦、南秦二州刺史。
八月辛酉日，北魏丞相高欢亲自去追赶迎接孝武帝。戊辰日，清河王元亶下令大赦。高欢抵达弘农，九月癸巳日，派行台仆射元子思率侍从官员迎接孝武帝；己酉日，攻打潼关，攻克城池，活捉毛鸿宾，进军驻扎在华阴长城，龙门都督薛崇礼献城投降高欢。
贺拔胜派长史元颖代理荆州事务、镇守南阳，自己率部往西赶赴关中。到淅阳时，听说高欢已驻扎在华阴，想撤军返回，行台左丞崔谦说：“现在皇室倾覆、主上流亡，您应该加速行军，到主上临时驻地朝见，然后和宇文行台同心协力、高举义旗，天下人谁会不响应！现在放弃这机会撤军，恐怕人心离散，一旦错失时机，后悔都来不及！”贺拔胜不听，还是撤了回去。
高欢撤军驻扎在河东，派行台尚书长史薛瑜镇守潼关，大都督库狄温镇守封陵，在蒲津西岸修筑城池，任命薛绍宗为华州刺史，让他镇守华州；又让高敖曹代