晋安帝义熙十二年（公元416年）三月，后秦皇帝姚兴病死，太子姚泓继位。姚泓，字元子，自幼孝友宽和，但无经世之用。姚泓身上孝服还没有脱，后秦国内一片乱起，先后有其兄弟姚懿、姚弼想杀他自代。当时，赫连勃勃刚刚掠数郡满载而归，南面的刘裕又统大军气势汹汹地杀来。面对这样的危局，姚泓日日紧锁愁眉。主弱国疑，终于让刘裕盼来了北伐平秦的最佳历史时机。
在宣誓北伐之前，刘裕在全国来一次大赦，规定凡是刑期在五年以下的人都一律释放。并且对所有任期届满，很久没有提拔的官员都提拔官阶。世子刘义符留守建康，刘穆之为左仆射，总摄内外。
一切都准备好了之后，在刘裕脑中盘旋了数年之久的北伐大业终于付诸实施。
于是晋军分为五路，由步军、水军两部分组成。第一路为步军前锋，由王镇恶、檀道济统兵，从淮河、淝水向许昌和洛阳进发。王镇恶本就是北方人，只因前秦被后秦所灭才南逃归晋，因此他对后秦实在是怀着刻骨的仇恨，在大军出发之前，王镇恶就立下誓言∶此番北伐，如果不攻克关中，绝不再过长江。
第二路由朱超石、胡藩自襄阳出发进攻阳城（今河南登封东南），主要目的是为了策应王镇恶的前锋主力。
第三路由沈田子、傅弘之率领，自襄阳进攻武关（今陕西商县西南）。
第四路是水军，由沈林子、刘遵考率领，从石门出发，自汴水进入黄河，直逼洛阳。
第五路也是水军，由王仲德率领，开通巨野被淤塞的旧河道进入黄河。
王镇恶、檀道济皆是能将，手下兵精粮足，一气攻拔项城、许昌等地，后秦诸屯守皆望风而附。后秦留守洛阳的姚洗不听人劝，没有固守金墉，直搏晋军兵锋。随即几路大败、姚洗最终不敌，献城出降。
王仲德方面，东晋水军由清河入黄河，北魏滑台守将尉建竟然吓得连箭也不发一支，弃城逃跑。王仲德占领滑台后对外宣称∶ "我们本来想给魏国七万匹布帛借道伐秦，谁想到滑台守将弃城跑掉了!"魏主拓跋嗣闻讯大怒，派兵济河，将尉建斩于军前，投尸河中，并质问晋军为何侵占魏国城池。晋军当时不想与魏国为敌，多添仇家，便说等平秦后马上归还。刘裕也假装卑词下意，表示∶"洛阳，晋之旧都，一直为羌人所据，我们晋军来此只想进据洛阳，修复陵庙。而且秦人一直收留晋朝叛将，与晋为患，现在我们是借道伐秦，实不愿与魏国为敌。"
然而，外交辞令虽然漂亮，晋、魏两国仍剑拔弩张，各怀鬼胎，密切关注对方的一举一动。晋安帝义熙十三年（公元417年）二月，刘裕从彭城出发，自引水军亲自参加北伐战争。
这个时候，先锋王镇恶、檀道济等人已合兵于潼关，对姚绍守军展开猛攻。姚绍是姚泓叔父，有谋善战，采取固守坚城的方法，希望孤军深入的晋兵兵老城下。同时，他派大将姚鸾出兵切断晋军粮道，不料，姚鸾反被晋军偷营，数千后秦兵连同主将一起被杀。刘裕水军入清河后，将溯黄河西上，为避免与魏军摩擦，就假装客气，遣使魏国，表示要借路。
姚泓窘急，后秦与北魏有姻亲关系，他忙遣使求魏国发救兵。魏国君臣议事，大臣崔浩表示说;"姚兴已死，姚泓懦弱。刘裕乘危攻伐，其志必取。如果我们遏止其军，刘裕心生愤恨，上岸北侵，那样的话，我们魏国就是代秦受敌。现在，柔然在北侵扰，民又乏食，如果我们与刘裕开战，南北顾此失彼，不如听任刘裕西上，然后屯兵以塞其东。如果刘裕取胜，会因我们借道给他心存感激;如果刘裕战败，我们又有救秦之名，趁其撤退时还可攻击取利。"拓跋嗣不听，以司徒长孙嵩督山东诸军事，遣步骑10万屯黄河北岸，以待晋军。
刘裕水军入河后，见魏军沿河活动，深感忧虑。于是命王镇恶等人前来。他打开船窗，指着河边的魏军说∶"我告诉你们攻克洛阳后，等大军齐至才进攻，现在轻易进兵，又多出魏国敌军，我又该怎么分兵布将?"此时，魏军一路随行，在北岸一直跟着刘裕的船队走。晋兵凡有小船因大风漂浮到北岸的，尽被魏兵箭射枪捅，一个不剩。每当刘裕派军去追，晋军刚上岸，北魏骑兵马快，顿时转移了。晋军撤回到船上，魏军就又冒了出来，继续跟着船走。
同年五月间，刘裕想出一招，他派七百兵士，给以兵车百乘，渡北岸，在离河百余步的水边列开"却月阵"——"两端抱河，车置七仗士，事毕，使竖一白联（相当于令旗）"。魏军看不明白，不知晋军演什么戏，都立于原地不动。突然，一直待命未发的晋朝宁朔将军朱超石见白联摇动，便率两千晋军疾趋上岸。他共带100张床弩，每车站列20甲士，左右前后列大盾掩护，组成一种看上去非常奇怪的兵阵。魏军见晋军列阵完毕，便也列阵迎前。魏军统帅长孙嵩，亲率3万骑兵在步兵后面作后援，从四面八方冲杀过来。
忽然，晋军强弩齐发。魏军不顾生死，虽然前面的士兵一排排被射死，后面的士兵仍喊杀声阵阵，冲势不减。关键时刻，朱超石使出早就准备好的秘密武器——几百把大锤以及一千多长稍。晋军先把长稍从中间的木杆折成两段，只长三四尺，然后，一名兵士持稍前立装填，后面兵士用大锤猛击弩机柄端。待魏兵蜂拥而至，弩机猛力发射，一稍就穿死三四个人。魏兵不能挡，一时奔溃，死者相积。魏军大将临阵被斩，余众退至畔城。晋军乘势追击，一路追杀，斩魏国兵将数千。
魏主拓跋嗣闻言，才知晋兵勇猛，后悔不用崔浩之言。由此，魏军再也不敢轻犯晋军兵锋，刘裕顺利抵达洛阳。如此危急时刻，后秦军屡败不说，最重要的御敌统帅鲁公姚绍，又因忧急愤懑，发病吐血而死。八月，刘裕至陕地。沈田子、傅弘之入武关，进踞春泥（今陕西蓝田）。
沈田子等人将攻晓柳。秦主姚泓至此横下一条心，御驾亲征。他率马步数万大军，想与刘裕主力正面决战，但又怕沈田子东晋军从后掩袭，便想击灭沈田子后，再东出与刘裕交手。沈田子一部，本来就是迷惑后秦军的"疑兵"，总共1000多人。忽闻探报，姚泓自率数万大军马上就到，沈田子就要提兵前去相斗。傅弘之持重，劝说兵力寡殊太大，想要退兵。沈田子认为敌我双方人数相差太远，等敌军固列阵形，想逃也来不及。不如先发制人。沈田子转身对士兵们讲∶"诸军冒险远来，正求今日之战，生死一决，可以一战封侯!"晋兵闻言，皆踊跃鼓噪，手执短兵，高呼奋击后秦军。就在后秦军毫无防备的时候，忽然从树林中冲出晋兵，秦兵惊慌失措，转身而逃。大败之下，被东晋兵斩杀1万多人。姚泓奔还灞上，其御用乘舆仪仗皆为东晋军所缴获。
王镇恶攻潼关坚城不下，便向刘裕请示，要转率水军自黄河入渭水，直袭长安。王镇恶所领的晋朝水军，都乘朦幢小舰，兵士皆藏于船内向下划桨。后秦士兵没见过此种船只，他们只看见船走而不见有人外露摇桨划船，皆惊以为神。王镇恶一军至渭桥后，立刻下令兵士在船上吃饭。然后，持杖登岸，严令"后登者斩"!士兵上岸后，小船无缆无锚，渭水迅急，瞬间全部顺水飘走，一只船也没剩下。
王镇恶对将士们说∶"大家的家属都在江南，这里是长安北门，离家乡已是万里之遥。船舰衣粮，皆随流飘没。今进战而胜，则功名俱显。不胜，尸骨无存!"言毕，王镇恶身先士卒，第一个向前冲杀。他身后晋兵立于绝境，勇气倍增，无不以一当十，冒死直前。后秦将姚丕前来抵拒，被杀得大败。后秦主姚泓闻讯，自领兵卒前往，正赶上姚不败军溃还，一时践踏拥推，死伤无数。大败之下，姚泓单马还宫。王镇恶军攻入长安平朔门。
姚泓惶恐无计，与宫内的家人商量，想出宫投降。其子姚佛念时年十一，对父亲说∶"晋人将逞其欲，肯定不会让我们活命，还不如我们先行阖家自尽!"姚泓抚然不答。姚佛念说完登上宫墙，投地而死。
姚泓无奈，只得率妻子数人步行至城门的刘裕大营中投降。姚泓之弟姚赞，随后也带着宗室100多人来降。
此时，刘裕立刻把除姚泓以外的所有后秦宗室、妇女全部就地处决，血满营盘。接着，他用槛车押送姚泓到建康，斩于闹市之中，以彰功名。姚泓死年三十，在位两年。从姚苌算起，后秦共历三世，共三十二年。
后秦至此终结。而对于刘裕来说，这两次北伐，连灭两国，他的丰功伟业是东晋数百年来所未有的。当时东晋内主政的刘穆之病故，刘裕担心变故，急忙率军回朝。匈奴的赫连勃勃见刘裕率军回朝，便乘虚而入，攻杀了留守长安的守将，此次北伐的成果竟化为乌有。然而，此时的刘裕取晋而代之之心已经很明显。当他回朝之后，他的帝王大业也很快变成现实。
