晉安帝義熙十二年（公元416年）三月，後秦皇帝姚興病死，太子姚泓繼位。姚泓，字元子，自幼孝友寬和，但無經世之用。姚泓身上孝服還沒有脫，後秦國內一片亂起，先後有其兄弟姚懿、姚弼想殺他自代。當時，赫連勃勃剛剛掠數郡滿載而歸，南面的劉裕又統大軍氣勢洶洶地殺來。面對這樣的危局，姚泓日日緊鎖愁眉。主弱國疑，終於讓劉裕盼來了北伐平秦的最佳歷史時機。
在宣誓北伐之前，劉裕在全國來一次大赦，規定凡是刑期在五年以下的人都一律釋放。並且對所有任期屆滿，很久沒有提拔的官員都提拔官階。世子劉義符留守建康，劉穆之為左僕射，總攝內外。
一切都準備好了之後，在劉裕腦中盤旋了數年之久的北伐大業終於付諸實施。
於是晉軍分為五路，由步軍、水軍兩部分組成。第一路為步軍前鋒，由王鎮惡、檀道濟統兵，從淮河、淝水向許昌和洛陽進發。王鎮惡本就是北方人，只因前秦被後秦所滅才南逃歸晉，因此他對後秦實在是懷著刻骨的仇恨，在大軍出發之前，王鎮惡就立下誓言∶此番北伐，如果不攻克關中，絕不再過長江。
第二路由朱超石、胡藩自襄陽出發進攻陽城（今河南登封東南），主要目的是為了策應王鎮惡的前鋒主力。
第三路由沈田子、傅弘之率領，自襄陽進攻武關（今陝西商縣西南）。
第四路是水軍，由沈林子、劉遵考率領，從石門出發，自汴水進入黃河，直逼洛陽。
第五路也是水軍，由王仲德率領，開通鉅野被淤塞的舊河道進入黃河。
王鎮惡、檀道濟皆是能將，手下兵精糧足，一氣攻拔項城、許昌等地，後秦諸屯守皆望風而附。後秦留守洛陽的姚洗不聽人勸，沒有固守金墉，直搏晉軍兵鋒。隨即幾路大敗、姚洗最終不敵，獻城出降。
王仲德方面，東晉水軍由清河入黃河，北魏滑臺守將尉建竟然嚇得連箭也不發一支，棄城逃跑。王仲德佔領滑臺後對外宣稱∶ “我們本來想給魏國七萬匹布帛借道伐秦，誰想到滑臺守將棄城跑掉了！”魏主拓跋嗣聞訊大怒，派兵濟河，將尉建斬于軍前，投屍河中，並質問晉軍為何侵佔魏國城池。晉軍當時不想與魏國為敵，多添仇家，便說等平秦後馬上歸還。劉裕也假裝卑詞下意，表示∶“洛陽，晉之舊都，一直為羌人所據，我們晉軍來此只想進據洛陽，修復陵廟。而且秦人一直收留晉朝叛將，與晉為患，現在我們是借道伐秦，實不願與魏國為敵。”
然而，外交辭令雖然漂亮，晉、魏兩國仍劍拔弩張，各懷鬼胎，密切關注對方的一舉一動。晉安帝義熙十三年（公元417年）二月，劉裕從彭城出發，自引水軍親自參加北伐戰爭。
這個時候，先鋒王鎮惡、檀道濟等人已合兵於潼關，對姚紹守軍展開猛攻。姚紹是姚泓叔父，有謀善戰，採取固守堅城的方法，希望孤軍深入的晉兵兵老城下。同時，他派大將姚鸞出兵切斷晉軍糧道，不料，姚鸞反被晉軍偷營，數千後秦兵連同主將一起被殺。劉裕水軍入清河後，將溯黃河西上，為避免與魏軍摩擦，就假裝客氣，遣使魏國，表示要借路。
姚泓窘急，後秦與北魏有姻親關係，他忙遣使求魏國發救兵。魏國君臣議事，大臣崔浩表示說；“姚興已死，姚泓懦弱。劉裕乘危攻伐，其志必取。如果我們遏止其軍，劉裕心生憤恨，上岸北侵，那樣的話，我們魏國就是代秦受敵。現在，柔然在北侵擾，民又乏食，如果我們與劉裕開戰，南北顧此失彼，不如聽任劉裕西上，然後屯兵以塞其東。如果劉裕取勝，會因我們借道給他心存感激；如果劉裕戰敗，我們又有救秦之名，趁其撤退時還可攻擊取利。”拓跋嗣不聽，以司徒長孫嵩督山東諸軍事，遣步騎10萬屯黃河北岸，以待晉軍。
劉裕水軍入河後，見魏軍沿河活動，深感憂慮。於是命王鎮惡等人前來。他開啟船窗，指著河邊的魏軍說∶“我告訴你們攻克洛陽後，等大軍齊至才進攻，現在輕易進兵，又多出魏國敵軍，我又該怎麼分兵布將？”此時，魏軍一路隨行，在北岸一直跟著劉裕的船隊走。晉兵凡有小船因大風漂浮到北岸的，盡被魏兵箭射槍捅，一個不剩。每當劉裕派軍去追，晉軍剛上岸，北魏騎兵馬快，頓時轉移了。晉軍撤回到船上，魏軍就又冒了出來，繼續跟著船走。
同年五月間，劉裕想出一招，他派七百兵士，給以兵車百乘，渡北岸，在離河百餘步的水邊列開“卻月陣”——“兩端抱河，車置七仗士，事畢，使豎一白聯（相當於令旗）”。魏軍看不明白，不知晉軍演什麼戲，都立於原地不動。突然，一直待命未發的晉朝寧朔將軍朱超石見白聯搖動，便率兩千晉軍疾趨上岸。他共帶100張床弩，每車站列20甲士，左右前後列大盾掩護，組成一種看上去非常奇怪的兵陣。魏軍見晉軍列陣完畢，便也列陣迎前。魏軍統帥長孫嵩，親率3萬騎兵在步兵後面作後援，從四面八方衝殺過來。
忽然，晉軍強弩齊發。魏軍不顧生死，雖然前面計程車兵一排排被射死，後面計程車兵仍喊殺聲陣陣，衝勢不減。關鍵時刻，朱超石使出早就準備好的秘密武器——幾百把大錘以及一千多長稍。晉軍先把長稍從中間的木杆折成兩段，只長三四尺，然後，一名兵士持稍前立裝填，後面兵士用大錘猛擊弩機柄端。待魏兵蜂擁而至，弩機猛力發射，一稍就穿死三四個人。魏兵不能擋，一時奔潰，死者相積。魏軍大將臨陣被斬，餘眾退至畔城。晉軍乘勢追擊，一路追殺，斬魏國兵將數千。
魏主拓跋嗣聞言，才知晉兵勇猛，後悔不用崔浩之言。由此，魏軍再也不敢輕犯晉軍兵鋒，劉裕順利抵達洛陽。如此危急時刻，後秦軍屢敗不說，最重要的禦敵統帥魯公姚紹，又因憂急憤懣，發病吐血而死。八月，劉裕至陝地。沈田子、傅弘之入武關，進踞春泥（今陝西藍田）。
沈田子等人將攻曉柳。秦主姚泓至此橫下一條心，御駕親征。他率馬步數萬大軍，想與劉裕主力正面決戰，但又怕沈田子東晉軍從後掩襲，便想擊滅沈田子後，再東出與劉裕交手。沈田子一部，本來就是迷惑後秦軍的“疑兵”，總共1000多人。忽聞探報，姚泓自率數萬大軍馬上就到，沈田子就要提兵前去相鬥。傅弘之持重，勸說兵力寡殊太大，想要退兵。沈田子認為敵我雙方人數相差太遠，等敵軍固列陣形，想逃也來不及。不如先發制人。沈田子轉身對士兵們講∶“諸軍冒險遠來，正求今日之戰，生死一決，可以一戰封侯！”晉兵聞言，皆踴躍鼓譟，手執短兵，高呼奮擊後秦軍。就在後秦軍毫無防備的時候，忽然從樹林中衝出晉兵，秦兵驚慌失措，轉身而逃。大敗之下，被東晉兵斬殺1萬多人。姚泓奔還灞上，其御用乘輿儀仗皆為東晉軍所繳獲。
王鎮惡攻潼關堅城不下，便向劉裕請示，要轉率水軍自黃河入渭水，直襲長安。王鎮惡所領的晉朝水軍，都乘朦幢小艦，兵士皆藏於船內向下划槳。後秦士兵沒見過此種船隻，他們只看見船走而不見有人外露搖槳划船，皆驚以為神。王鎮惡一軍至渭橋後，立刻下令兵士在船上吃飯。然後，持杖登岸，嚴令“後登者斬”！士兵上岸後，小船無纜無錨，渭水迅急，瞬間全部順水飄走，一隻船也沒剩下。
王鎮惡對將士們說∶“大家的家屬都在江南，這裡是長安北門，離家鄉已是萬里之遙。船艦衣糧，皆隨流飄沒。今進戰而勝，則功名俱顯。不勝，屍骨無存！”言畢，王鎮惡身先士卒，第一個向前衝殺。他身後晉兵立於絕境，勇氣倍增，無不以一當十，冒死直前。後秦將姚丕前來抵拒，被殺得大敗。後秦主姚泓聞訊，自領兵卒前往，正趕上姚不敗軍潰還，一時踐踏擁推，死傷無數。大敗之下，姚泓單馬還宮。王鎮惡軍攻入長安平朔門。
姚泓惶恐無計，與宮內的家人商量，想出宮投降。其子姚佛念時年十一，對父親說∶“晉人將逞其欲，肯定不會讓我們活命，還不如我們先行闔家自盡！”姚泓撫然不答。姚佛念說完登上宮牆，投地而死。
姚泓無奈，只得率妻子數人步行至城門的劉裕大營中投降。姚泓之弟姚贊，隨後也帶著宗室100多人來降。
此時，劉裕立刻把除姚泓以外的所有後秦宗室、婦女全部就地處決，血滿營盤。接著，他用檻車押送姚泓到建康，斬於鬧市之中，以彰功名。姚泓死年三十，在位兩年。從姚萇算起，後秦共歷三世，共三十二年。
後秦至此終結。而對於劉裕來說，這兩次北伐，連滅兩國，他的豐功偉業是東晉數百年來所未有的。當時東晉內主政的劉穆之病故，劉裕擔心變故，急忙率軍回朝。匈奴的赫連勃勃見劉裕率軍回朝，便乘虛而入，攻殺了留守長安的守將，此次北伐的成果竟化為烏有。然而，此時的劉裕取晉而代之之心已經很明顯。當他回朝之後，他的帝王大業也很快變成現實。