军事上，刘义隆在其统治期间，继承刘裕北伐的政策，乘北魏与柔然交战之际征讨河南，史称“元嘉北伐”。宋文帝刘义隆为收复河南，先后于元嘉七年（430年）和元嘉二十七年（450年）两度大举北伐。
每次北伐都是宋军趁春夏雨季北进，并迅速打到黄河一线，然后沿千里黄河列戍置守，元嘉七年（430年）占领河南后还设立了河南四镇：洛阳、虎牢、滑台、碻磝，意在凭河而守。但是，等到秋高马肥的时节，北魏铁骑南下，刘宋在河南的防守便很快崩溃，所以两次北伐都以失败告终。北伐失败的主要原因是刘义隆战争指导有误。
元嘉二十九年（452年），刘义隆趁北魏太武帝之死再谋北伐，刘兴祖上表言：“愚谓宜长驱中山（今定州），据其关要。冀州以北，民入尚丰，兼麦已向熟；因资为易；向义之徒，必应向赴。若中州震动，黄河以南自当消溃。
臣请发青冀七千兵，遣将领之，直入其心腹。若前驱克胜，张永及河南众军宜一时渡河，使声实兼举，并建司牧，抚柔初附。西拒太行，北塞军都（今居庸关），因事指挥，随宜加授，畏威欣宠，人百其怀。若能成功，清壹可待。若不克捷，不为大伤。”刘兴祖吸取了前两次争河南而无功的教训，建议自山东进兵河北，堵塞太行山诸隘口，将北魏遏制在山西以内。
若河北底定，则河南自然落入宋军之手。宋军若在抵达黄河之后，进攻河北，北魏形势就很危险，太武帝须亲自率军抗击，刻不容缓。不过，此策非雄才大略之主不能行之，刘义隆志望、见识均不及此，故未采纳。此次北伐规模不大，也是无功而返。
刘义隆北伐，其志只在收复河南，但河南四战之地，即令能攻之，未必能守之。宋军攻占河南后，沿千里黄河列戍置守，兵力薄弱；黄河虽险，却并非不可渡涉，尤其是寒冬，河冰坚合，可以无船而渡。
而且，早在元嘉七年（430年），北魏就已将赫连夏逐出关中，这样，北魏以山西为根本，左拥河北，右据关中，虎视中原。故刘义隆所面临的问题实际上应该是如何遏止北魏咄咄逼人的南进势头，而不是河南的攻守。
所以刘义隆北伐，每次都只图河南，实非长远之计。 刘宋的北伐均以失败告终，还招致北魏的大举反击，尤其是元嘉二十七年（450年）的那次北伐，北魏反攻河南之后，大举南进，兵临瓜步，饮马长江。刘宋国力大损。
但是刘义隆对外的军事活动并非毫无亮点，主要表现为制止了林邑国（占婆）对中国的侵略。林邑国在东晋时多次侵扰中国南疆交州地区，尤以永和和义熙年间为最。刘义隆在位时，林邑对中国采取一面朝贡一面寇边的策略。
林邑王范阳迈野心膨胀，更是于元嘉十年（433年），要求刘宋将交州交给自己管理，刘义隆予以拒绝。此后林邑不仅骚扰不止，贡品也很微薄，刘义隆再也无法容忍林邑的放肆，决定展开对林邑国的惩罚行动。他派龙骧将军交州刺史檀和之、振武将军宗悫讨伐林邑，范阳迈佯装恐惧，上表愿归还所掠夺日南郡民户，实则缓兵之计。
于是宋军继续进发，于元嘉二十三年（446年）一举攻克林邑北部重镇区粟城（今越南广治西北），斩区粟王范扶龙，将城中15岁以上的人全部活埋，筑成京观。其后宗悫等乘胜追击范阳迈，攻克林邑都城典冲（即占婆补罗，今越南茶荞），范阳迈逃走，宋军满载战利品撤回。刘义隆教训林邑大获全胜，“此役中国国威远播” ，林邑虽很快复国，但此后恭顺朝贡，三百多年没有侵略中国的记录。