公元417年1月，劉裕從彭城出發，率水師北上，3月，進入黃河。此時黃河為北魏所轄，北魏因與後秦有聯姻關係，又怕劉裕以假道之名渡河進攻自己，於是以10萬重兵屯駐在黃河北岸，並以數千輕騎沿河岸跟隨著晉軍艦船進行監視，不時殺戮漂流到北岸的晉軍將士。

腦洞大開，天才的軍事家劉裕在黃河北岸，設奇陣「卻月大陣」對付魏軍的騷擾，強行通過魏境，艱險地向秦境進發。此時，沈、檀二軍已圍攻蒲阪多日，守將尹昭死守不降。沈林子對檀道濟說：「蒲阪城堅兵多，不可猝拔，攻之傷眾，守之引日。王鎮惡在潼關，勢孤力弱，不如與鎮合勢并力以爭潼關；若得之，尹昭不攻自潰矣。」

檀道濟遂揮師南下與王鎮惡會師，合力攻打潼關。3月，北伐大軍攻占潼關，大敗秦軍，斬獲以千餘首，迫使秦守將秦魯公、姚紹退至定城據險拒守。

此後，晉軍與秦軍在定城相持達5個月之久。姚紹為逼退晉軍，先後兩次派兵截斷晉軍糧道，封鎖水路，晉軍一度陷入恐慌，沈林子一面用鏗鏘話語激勵軍士以安軍心，一面向劉裕求援。

但此時的劉裕受魏軍牽制，無力分兵援助。危急之下，北方人民挺身而出，他們感激劉裕來解放他們，自發地競送義租，終於使潼關晉軍轉危為安。姚紹不肯罷休，再一次遣長史姚洽、予朔將軍安鸞、護軍姚墨蠡、河東太守唐小方率眾2000人進趨黃河北岸九原，設立河防以斷絕王、檀的糧援，但被沈林子擊破，將士被殺殆盡。

姚紹受此打擊，病發身亡；東平公姚瓚代之行使兵權，引兵攻襲沈林子，被擊退。7月，劉裕率軍抵陝縣，部署第二階段戰略。

沈田子和傅弘之率輕騎向青泥，出秦軍南翼，是為疑軍以迷惑牽制敵人朱超石軍渡河北上攻庸阪，以掩護劉裕主力大軍從潼關攻長安。晉軍南北成犄角攻勢，潼關主力待發，使後秦有三面受敵的危險。

秦主姚泓想先消滅南面的沈田子與傅弘之軍以解後顧之憂，再迎擊正面的劉裕軍，於是率步騎數萬直趨青泥。沈、傅軍本屬疑兵，只有千餘人，但沈田子認為兵貴用奇，不在多寡，於是趁秦軍陣未布好，先發制人，親引部下主動出擊秦軍。這時秦軍已合圍數重，沈田子激勵部下說：不擊敗秦軍只有死路一條。於是千餘晉軍無不一以當十，如猛虎下山，大敗秦軍於青泥和嶢柳之間，斬首萬餘，姚泓逃還灞上。

此戰之激烈，也是少有，以千餘勇士，竟能擊敗數萬敵軍，足可見領軍大將的重要性：將無貪生之念，士有必死之心。有這種精氣神，有這種鋼鐵意志，這支軍隊定是戰無不勝。

晉軍南翼大勝，而北翼朱超石卻出師不利，被堅守蒲阪的秦將姚璞擊敗，退至潼關。大好的形勢又變得複雜起來，此時王鎮惡向劉裕提出建議：願自率水軍由黃河入渭，逆水而上，直搗長安，劉裕贊同。

王鎮惡率軍乘艨艟鬥艦溯渭而上，一路勢如破竹，使潼關守敵紛紛後撤去保衛京都。剛從灞上撤回的姚泓急忙調軍分守渭橋、石積及灞東等長安四周軍事據點，自己率軍據守長安城西的逍遙園。

8月23日，王鎮惡軍抵渭橋後棄舟上岸，因水流滿急，所乘大小船隻都被水沖走，晉軍已無退路。王鎮惡激勵士卒：「只有拼力死戰才可死裡逃生！」王鎮惡首當其衝，座下將士皆奮不顧身，大破後秦軍。姚泓與姚瓚引兵來救，遇姚丕部敗退，此時的後秦軍隊，有如嚇破膽的兔子，只知道逃命，兵無戰心，將無鬥志，敗軍自相踐踏，不戰而潰。姚泓單騎還宮，王鎮惡自平朔門攻人長安。24日，姚泓出降。

至此，立國33年，在北方群雄爭霸中常勝的後秦，被遙遠的東晉軍隊滅亡。

滅秦之戰，其實是劉裕進一步樹立威望、積累人氣軍功的戰役，他並無心長久地占據關中地區。他的心思始終都是放在江淮一帶，關注的是東晉朝堂上的皇位。

此戰後不久，劉裕即率大軍南返，北伐結束，他只留下少量軍隊駐守關中，這也正中北魏等虎狼之徒的下懷，很快，關中再次易手，劉裕的北伐得地也漸次失去。

只是，劉裕還是迎來了他人生的最高峰：公元420年，他代晉自立，建號「宋」，定都建康，劉裕死後，諡號「武帝」。