刘裕说：“大军已越过险要，士兵们都有拼死作战的决心；田地里有充足的粮食，我们不必为缺粮而担忧。我们如今已胜券在握。”
弩
六月十二日，刘裕抵达东莞。慕容超之前已指派公孙五楼、贺赖卢以及左将军段晖等人率领步、骑兵共5万人驻扎在临朐，听闻东晋部队已越过大岘山，便亲自率领步、骑兵共4万人前去迎战，而且指定公孙五楼领骑兵占领巨蔑水。晋军前锋孟龙符与公孙五楼展开激战，将他打得落花流水，公孙五楼撤退逃走。
刘裕用4000乘战车摆在两边作为左右两翼，从容不迫向前推行，在临朐城南边与南燕军队交战。太阳快要落山了，还没分出胜负。
参军胡藩对刘裕说：“南燕出动全部人马与我们交战，临朐城必定空虚。我愿意带奇兵突袭这座城池，这是韩信用来打败赵国的方法。”
刘裕就派胡藩和咨议参军檀韶、建威将军向弥各自领兵悄无声息地穿到南燕军队的后面，进攻临朐城，自称是从水路赶来支援的轻装部队。向弥身披铠甲率先登上城墙，于是攻克了临朐城。
慕容超听说以后大吃一惊，单人匹马赶到城南去找段晖。刘裕乘胜追击，南燕军队大败，段晖等10余名大将被斩杀。慕容超逃回京城广固，晋军缴获了他向征皇位的东西，比如玉玺、车驾等。刘裕乘胜追击败兵，一直追到广固。
十九日，攻下了广固城的外城，慕容超率军退入内城坚守。刘裕修筑了长长的围墙，形成包围圈；围墙有三丈高。
慕容超派尚书郎张纳往后秦求救，并且赦免了桂林玉慕容镇，慕容镇认为尚书令韩范一向为后秦所看重，应该派他去搬救兵。慕容超听从了。
七月，南燕尚书垣尊和他弟弟京兆太守垣苗偷偷归降东晋，刘裕任命他们为行参军。垣尊、垣苗都是慕容超平素所宠信的人。
有人对刘裕说：“张纲心思巧妙，倘若能请他来建造攻城器具，广固城一定可以攻克。”
正好张纲从长安回来，太山太守申宣抓住了他，送到刘裕那里。
刘裕让张纲登上楼车，站得高高的，让他绕着城对城里的人喊：“夏王刘勃勃打败了后秦军队，因此后秦无法援救你们。”城中将士听了，全都大惊失色。
张纲为刘裕设计制造的攻城用具，都是巧夺天工。慕容超大怒，将张纲的母亲吊在城墙上，把她五马分尸了。
东晋每次发兵增援，或者派遣使者前来，刘裕总是在前一天晚上暗地派兵去迎候。第二天，旌旗摇曳、锣鼓喧天到来，让敌人以为来了很多军队。北方的百姓带着物资和装备归附刘裕的，每天都有上千人。
晋军对广固城进行更为凶猛的进攻，南燕大臣张华、封恺都先后被刘裕俘获。慕容超表示愿意割让大岘山以南的土地以示向东晋臣服。刘裕没有答应。
此前，慕容超派遣尚书令韩范向后秦请求救兵，后秦文桓帝姚兴派遣使者对刘裕说：“慕容氏是我们的友好邻邦。现在晋对他们大举侵犯，我们秦已经派遣10万铁骑驻扎在洛阳，晋军如果不撤军，就别怪我们不客气了。”
刘裕把后秦的使者叫来，对他说：“告诉你们姚兴：我战胜燕后，休整三年，然后就要去夺取你们的关中、洛阳。今天你们如果想要送羊入虎口，那就快点来吧！”
刘穆之听说有后秦使者来，便骑马进去见刘裕，但是使者早已离去。刘裕把自己说的话告诉了刘穆之。
刘穆之埋怨他说：“平日凡事都一定让我参与讨论。如今事关重大，本应当仔细考虑，你为什么这么快就答复他呢？你的话不但不会让敌人害怕，反而会激怒他们。如果广固还没有攻下，而羌族的敌人又突然到来，我们该怎么办呢？”
刘裕笑着说：“这就是用兵的奥妙，你是无法体会的，所以才没跟你商量。要知道兵贵神速，他们倘若真想救助，一定害怕我们知道，哪里还会先派人将这些告诉我们呢？此乃故弄玄虚！晋军不出征已经很久了，羌人看见我们讨伐三齐之地，心里早就开始害怕。他们自保都来不及，根本无法顾及他人！”
九月，南燕尚书张俊从长安返回，投降了刘裕，对刘裕说：“燕人所倚仗的，是预知韩范必定能搬来后秦的救兵。如果抓到韩范，那么燕就一定会投降了。”刘裕就上表请求朝廷任命韩范为散骑常侍，随即写信招降韩范。
后秦长水校尉王蒲劝韩范投奔后秦，韩范说：“刘裕白手起事，歼灭桓玄，兴复晋室，这次兴兵伐燕，所到之处无不崩溃瓦解；天意如此，不是靠人力做到的。燕亡，则秦也会紧接而亡，我无法忍受两次亡国之耻。”于是投降了刘裕。
刘裕带着韩范环绕广固城转了一圈，城里的人马上垂头丧气。
次年二月，贺赖卢、公孙五楼挖了一条地道出来袭击晋军，还是没有战胜。广固城关闭了太久，城里超过一半的百姓患软上了脚病，因此不断有人出城投降。
慕容超乘坐辇车登上城墙，尚书悦寿劝他说：“现在老天爷帮助逆贼助纣为虐，我们的将士死伤殆尽，疲惫不堪，独自困守这最后一座城池，我们不要再希望会有人来救援了，不论天时人事，结果都可想而知了。如果命中注定要这样，那么即使尧舜也得让位，陛下为何不转换一下思路呢？”
慕容超叹息着说：“兴亡盛衰，都是天命。我宁可战死，也不能衔着宝玉投降求生。”
初五，刘裕发动全部兵力攻城。有人说：“今天是往亡日，并不是军队出征的吉日。”刘裕说：“我往他亡，有什么不利的？”于是四面围城。悦寿打开城门，把晋军放进了城。
慕容超与几十个侍卫骑马越过城墙，冲破包围圈逃走，但还是被抓住了。刘裕列数他不投降的种种罪名，慕容超从容不迫，沉默不语，只是把母亲托付给刘敬宣照顾。
刘裕愤恨广固城久攻不下，准备屠城，然后把他们的妻子女儿赏给手下将士。
韩范劝阻他说：“晋室迁移到江南，中原混乱不堪，老百姓流离失所，如果有强有力的政权，自然会前去依附。这样他们做了人家的子弟，就要为人家尽力。他们都是过去的士族、先帝的遗民。如今王师北伐，却要把他们全部杀了，那这些百姓怎么办呢？我担心以后西北的百姓再也不会希望我们去救助他们了。”
刘裕便打消屠城的想法，但还是杀了王公以下3000多人，没收家族人口也有1万多。随即破坏了广固城墙，把慕容超送回建康斩首。
王镇恶攻灭后秦
王镇恶
晋义熙十二年（公元416年）八月，太尉刘裕统率大军从建康出发征讨后秦。刘裕派遣龙骧将军王镇恶、冠军将军檀道济率领步兵从淮河、淝水向许昌、洛阳进发。而且另派数路人马分别攻击后秦各重要据点。
总管朝政的左仆射刘穆之对王镇恶说：“刘公这次委托你伐秦的重担，你要努力啊。”王镇恶说：“我不攻克关中，发誓不再回来！”
王镇恶、檀道济进入后秦境内，攻无不克，战无不胜，不久就攻克了许昌。
十月，檀道济进军逼近洛阳，后秦镇守洛阳的陈留公姚洸出城投降。这时后秦的援军阎生、姚益男还在路上，听说洛阳已被攻克，就没有继续前进。
次年二月，王镇恶进军渑池，派毛德祖在蠡吾城袭击尹雅，将他擒获。尹雅越狱逃走，王镇恶穷追不舍直到潼关。三月，檀道济等人也抵达潼关，与王镇恶会合。
后秦鲁公姚绍出战不利，退守地势险要的据点，并对手下将领说：“敌人势单力薄，独自进攻，只能坚守营垒等待后援。我们分出兵力断绝他们的运粮通道，坐等他们粮食吃完，然后擒获他们易如反掌。”于是派遣部下把守大路上的据点，断绝了王镇恶他们的运粮通道。
当初，刘裕曾命令王镇恶等人，让他们在攻克洛阳后等候大军到来，然后共同前行。王镇恶等人乘胜直接进攻潼关，结果后秦拼死抵抗，无法前行。而且运粮通道被切断，时间一久，军队缺粮，人心有点离散。
有人提议舍弃物资装备，退回洛阳会合大军，建武将军沈林子按着宝剑发怒说：“刘裕相公立志统一天下，如今许昌、洛阳都已平定，关右地区也即将收复，能否胜利就全看我们前锋的表现了。怎么能打击胜利后的士气，半途而废，舍弃即将到手的大业呢？
“而且大军离我们还远，敌人士气正旺，我们就算想退回去，难道就那么容易吗？我接受命令以来，从没想过回头。今天的事，我将自己率领军队完成使命，只是不知道你们退回去后，有何颜面见刘相公！”
王镇恶等人派遣使者去通知刘裕，请求支援粮草。刘裕正沿着黄河水陆进军，叫来使者，打开船上朝北的窗户，指着黄河北岸牵制他们的北魏大军说：“我告诫过他们不要孤军深入，致使如今受困；我的形势也不佳，又怎能派得出援军呢？”
王镇恶只好亲自到弘农去，请求百姓献粮，他动之以情，晓之以理。百姓纷纷捐献粮食，军队的粮饷重新得到补充。
八月初二，刘裕亲抵潼关，王镇恶恳请领水军绕道从黄河进入渭水，然后从渭水直趋长安，刘裕赞成。
后秦镇北将军姚强与姚难会师，驻守于泾水岸边以抗衡王镇恶。王镇恶派毛德祖率领军队进击，打败他们并杀死了姚强，姚难逃奔长安。
王镇恶率领水军沿渭水逆流而上，乘坐蒙冲小舰，士兵藏在船内划桨。后秦人看到战舰前进却没有看到划桨的人，都很诧异，认为东晋军一定有仙人帮助。
二十三日凌晨，王镇恶军队抵达渭桥，命令战士们吃饱喝足，随后拿着武器，登上河岸，落后的人斩首。士兵们全部登上河岸以后，渭水水流湍急，东晋的战舰很快漂流得已不见了踪影。
当时长安城内，后秦国主姚泓还有数万兵力。王镇恶向士兵们宣告说：“我们的亲属和家园都在江南，这是长安北门，离家有万里之遥，而且所有帮助我们回去的东西都被水冲走了。如今我们前进作战，胜利了，可以立功扬名；失败了，身首异处。就这两种可能，没有第三条路可选。大家努力吧！”
于是，王镇恶身先士卒冲在前面，士兵们也都奋勇杀敌。结果在渭桥大败后秦守卫渭桥的姚丕军队。姚泓领兵救援，却被姚丕四处逃窜的士兵践踏冲散，不战自溃；姚泓单人匹马逃回皇宫。
王镇恶从平朔门进长安城，姚泓和车骑将军姚裕等率领数百名骑兵向石桥逃去。东平公姚赞听说姚泓战败，急忙率领军队前来救援，可是部队没有一点士气，一下子就溃散了。
姚泓打算出去投降，他的儿子姚佛念当时才11岁，对父亲说：“晋人要借助我们来完成他们的大业，就算投降了也不能免死。不如自杀吧。”姚泓悲痛不已。姚佛念爬上宫墙，自己跳下去自杀而死。
二十四日，姚泓带着家属和群臣到王镇恶的军营门口请求投降，王镇恶将他们交给了手下官吏。
九月，刘裕到达长安，王镇恶到灞上迎接。刘裕慰劳他说：“你帮助我成就大业了呀！”
王镇恶拜了两拜，谦让说：“全靠明公的威望以及各位将领的努力，我只是略尽绵力。”
刘裕笑着说：“你是想学冯异的谦卑吗？”
冯异是东汉光武帝刘秀手下大将，屡立军功，但为人谦恭，当将士们纷纷议论战绩时，他经常独自躲到大树底下，所以被称为“大树将军”。
王镇恶生性贪婪，后秦仓库里财物堆积得满满的，王镇恶暗地取走的财物不计其数。刘裕念他功劳大，所以佯装不知。
有人向刘裕报告说：“王镇恶私藏了姚泓做伪皇帝时的车驾，将要谋反。”刘裕暗地找人去侦探，王镇恶赶紧把车驾上的金银剔下来，随后扔掉车驾，刘裕这才放心。
刘裕下令没收后秦的礼器、浑天仪、记里鼓、指南车等，送到建康。其余财宝全部拿来犒赏士兵。后秦宗族100多人到刘裕的大营投降，刘裕把他们全杀了。又把姚泓送到建康，斩杀在街市上。