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孙恩因战败而投水死，众人推其妹夫卢循为主早在东征卢循的时候，刘牢之的外甥何无忌就劝刘裕在会稽起兵征讨桓玄，但刘裕认为桓玄还没有登极位，讨伐他就名不正言不顺，并且会稽遥远，难以成就大事。现在桓玄既然如此，刘裕觉得机会成熟了，于是就和原北府兵的一些官兵何无忌、诸葛长民、刘毅、孟昶、檀道济等密谋准备在京口、广陵、历阳等处同时起兵讨伐桓玄，众人共推刘裕为盟主。
元兴三年二月二十七日，刘裕假托狩猎，与何无忌在京口（在今江苏镇江）聚集了一百多人准备起事。次日晨，京口城门开，何无忌穿着传诏服，扮成传诏使者，走在前面，其他人随着他一拥而入，齐声大叫着冲进官府，斩了桓玄的堂弟徐、兖二州刺史安成王桓修。随后在何无忌的推荐下，刘裕延请有治国才干且赋闲在家的刘穆之为主簿，共参大事。
与此同时，孟昶在广陵（青州刺史治所，在今江苏扬州）也劝桓修弟青州刺史桓弘外出打猎，天未亮，打开城门让参与狩猎者出城，孟昶与刘毅、刘裕弟刘道规等率数十名壮士直冲桓弘住处，把正在吃粥的桓弘斩了，随即率领众人渡江。
诸葛长民在历阳（豫州刺史治所，时称“西府”，是建康的西大门。在今安徽和县）因故失期，不能得手，反而被豫州刺史刁逵抓获，刁逵用槛车把他送给了桓玄。
桓玄得知刘裕等起兵且布檄文，惊惧之下杀了原准备在京都作义军内应的王元德等人，同时派遣自己的骁将顿丘太守吴甫之、右卫将军皇甫敷前往京口迎击刘裕率领的一千余人。
三月初一，义军在江乘（在今江苏句容北）与吴甫之相遇，刘裕手持长刀大呼砍杀，当即斩了吴甫之；随后义军又遭遇皇甫敷，同样临阵斩了他。桓玄得知损了两员战将，大惊，急忙派遣桓谦、卞范之等率两万将士去覆舟山（在今南京太平门西侧）以抵抗刘裕的义军。
初二，义军食毕丢掉余粮，挺进覆舟山东侧，派老弱登山多设旗帜作疑兵。桓谦的士兵多是过去的北府兵，他们一向畏服刘裕，如今见如此形势，都没有了斗志。刘裕身先士卒，与将士们殊死作战，无不以一当百，呐喊之声惊动京都，桓谦军大败。
桓玄事先就在石头城（故址在今南京市清凉山）下备好船只准备随时逃走，现在见如此败势，就以赴战为名带着他的亲属和数千亲信，出南掖门后西奔石头城，然后下大江向西逃去，义军乘胜追击。石头城背山面江，其时江流紧迫山麓，城南临秦淮河口，地处交通要冲，是京都建康的军事重镇。
初三，刘裕镇守石头城，立留台百官。古称皇家禁城为台城，此时安帝已经被桓玄流放到寻阳，义军就在建康设立临时机构和百官。众人推举刘裕为使持节、都督扬州徐州等八州诸军事、领军将军、徐州刺史；随后义军又任命刘毅为青州刺史，何无忌为琅邪内史，孟昶为丹杨尹，刘道规为义昌太守。
初十，刘裕回镇东府（宰相及扬州刺史的府第，在今南京通济门附近，临秦淮河）。
既掌控京都，刘裕就把朝政要务都交给刘穆之处理，事无大小，也都向他咨询；为重振纲纪，刘裕以身作则，内外百官肃然奉职，不过十日，拨乱反正：原先的混乱局面一时顿改。
桓玄逃到寻阳，江州刺史郭昶之在器具和兵力上资助他，他又逼迫被流放的安帝和自己一道向江陵逃去，冠军将军刘毅和辅国将军何无忌、振武将军刘道规率军追赶。
到了江陵，桓玄广泛招募士兵，并大造战船、器械，四月底，他又率领两万将士，挟持着安帝顺江而下开始反扑，在峥嵘洲（在今湖北鄂州境内的长江中）与刘毅的军队相遇。刘毅的军队乘风纵火，尽锐争先，桓玄大败，不得不烧了辎重连夜西逃。到了江陵，桓玄准备逃往西蜀，被益州督护冯迁杀死。刘毅把他的级传到京都，枭朱雀航（故址在今南京市镇淮桥稍东）。朱雀航又作“朱雀桥”“朱雀桁”，又称“南航”“大航”，跨秦淮河上，航长九十步，宽六丈，有警则撤航为备，是京都的城南门户。
直到次年正月，刘毅才攻破桓氏余党占据的江陵；到了五月，以桓振为的诸桓残余被彻底平定。
在刘毅等攻破桓氏余党占据的江陵时，安帝才上了刘道规的战船，然后下诏大赦，改元为义熙。
三月，安帝回到建康，以刘裕为侍中、车骑将军、都督中外诸军事，徐、青二州刺史如故，刘毅为左将军，何无忌为右将军、豫州刺史，刘道规为辅国将军、并州刺史。
为了表现一种姿态，刘裕固让不受职，似乎有一种不敢当的意思。
到了四月，刘裕还镇京口，朝廷改授他为都督荆、司等十六州诸军事，加领兖州刺史，朝政仍然掌握在他的手中。
五月，已经掌控朝政的刘裕派使者去长安（在今陕西西安），以向后秦求和为名，索要七年前因晋将归降后秦而失去的晋朝土地。后秦主姚兴畏惧他，就把南乡、新野等十二郡归还给了他。
朝廷封刘裕为豫章郡公，刘毅为南平郡公，何无忌为安成郡公。
义熙二年（公元4o6年），年已四十四岁的刘裕才有了自己的第一个儿子刘义符。
义熙四年，因司徒、录尚书、扬州刺史王谧薨，朝廷征刘裕入辅，任命他为侍中、车骑将军、开府仪同三司、录尚书、扬州刺史，徐州刺史如故。所谓朝廷，当然是被刘裕的亲信刘穆之等人掌控的朝廷。
也许是刘裕的女人开始多起来了，这一年他有了两个儿子：次子刘义真和第三子刘义隆。
义熙五年（公元4o9年）二月，建都广固（在今山东益都西北）的南燕主慕容嫌太乐伎人太少，就派兵侵犯晋淮北地区，俘获济南太守赵元等，掳掠千余家，然后挑选男女二千五百人给太乐教习。
刘裕正要做几件大事让世人瞧瞧，以确立自己在国家的威望，南燕主慕容为他提供了机会。
三月，刘裕力排众议上表北伐。
四月，大军从京都出，沿淮河进入泗水。
五月，大军到达下邳（在今江苏睢宁西北），留下船舰辎重，步行进入琅邪（在今山东胶南县西南）——这种远征的辛劳是自不待说的，所过要地都修筑城垒加以防守。
起初有人担心慕容会占据大峴（在今山东临朐东南，即穆陵关，是齐地天险），或坚壁清野，大军深入不仅将无功，甚至不能撤归。刘裕虽然没有什么文化，但他的识见却远过他人，他解释说：
“慕容生性贪婪，且无远虑，他最多只会进占临朐，必不会守险清野！”
待刘裕大军入境，慕容的谋士建议占据大峴，坚壁清野，慕容果然不愿采纳，他错误地认为刘裕远来疲敝不能持久，只需纵敌入大峴，然后用精锐骑兵冲撞践踏即可。
刘裕过了大峴不见燕兵，就举手指天，喜形于色：“兵已过险，士有必死之志；余粮栖亩，人无乏食之忧。虏已入我掌中！”
六月，慕容先已派其大将公孙五楼率步骑兵五万人占据临朐；听说刘裕已过大峴，慕容又亲自率步骑兵四万前往增援。刘裕把四千辆战车分为左右翼，并车徐行，与南燕军战于临朐城南，至太阳偏西不分胜负。
这时参军胡藩建议趁临朐城内空虚，绕道从敌后攻下临朐。刘裕很赏识他的建议，就派胡藩率军绕道敌后，胡藩果然很快就拿下了临朐城。刘裕率领大军乘势奋击，杀敌大将十多人，南燕军大败，慕容仓皇逃回广固。刘裕乘胜追至广固，不久就攻克其大城，慕容退守小城，晋军随即筑长围包围小城。
晋军也停止了远自江淮的漕运，只凭齐地粮食作为军粮：一切都在刘裕的掌控之中。
这时持戈背粮前来投奔刘裕的北方民众日以千计——他们大都是过去的汉家百姓，慕容的大将垣尊、垣苗兄弟也越城来降。
其后数十日晋军攻城不破，有人举荐：若能得到慕容的尚书郎张纲，让他制造攻城器具，城就可破。此时恰逢张纲从后秦求援归来，被晋军俘获，刘裕就把他放在楼车上让他向城内喊话：“夏已破后秦，无兵相救！”城内燕军大惊失色，慕容请求割让大峴以南的土地向晋称臣，刘裕没有答应。
这时后秦姚兴派使者来告诉刘裕：秦燕两国交好，如今晋急攻燕，若不撤退，秦军驻扎洛阳的十万铁骑将长驱进逼！刘裕听了哈哈大笑，然后对使者说：“回去告诉姚兴，灭燕之后，息兵三年，我当前取关、洛；若能自送，就尽快来！”谋士刘穆之事后责怪他这样只会张虚声招实害，刘裕笑着说：“兵贵神。姚兴若真能赴救，就害怕我知，怎会事先跑来预告我？这不过是他虚张声势：他见我伐齐，自顾不暇，又怎能救人！”
后来的事实再一次证明，刘裕的识见高人一筹，也许还远不止“一筹”！
张纲所造攻城器械，有飞楼木幔，极尽机巧，城上火石弓箭奈何不得。
义熙六年二月初五，刘裕准备大举攻城，有人劝阻说：“今日是往亡日，不利征战。”往亡日，旧历每月皆有，是阴阳家所谓凶日：此日忌拜官上任、远行归家、出军征讨等。刘裕听了一笑置之：“我往而敌亡，又有何不利！”于是四面急攻，已无斗志的燕守将开门引入晋军，慕容率数十名亲信飞马突围而去，晋军追击捕获了他。刘裕责其不降之罪，斩其王公以下三千人，将其城池夷为平地，把慕容送到京都建康斩：南燕历十三年而亡。
上一年，刘裕依外交手段从后秦主姚兴那里收回了南乡、新野等十二郡，这一次又靠军事手段灭了南燕，这都使得晋的版图扩大了，也使得他的个人威望大大地提高了。