九月，劉裕抵達彭城。
龍驤將軍—王鎮惡、冠軍將軍—檀道濟領兵由淮、淝轉向許、洛，後秦諸屯守皆望風降附，晉軍進展神速。
十月，王鎮惡軍佔領洛陽。
次年正月，劉裕留其子劉義隆鎮守彭城，自率大軍北上。
此時，北魏派十萬重兵駐守河北，並以遊騎騷擾晉軍。
劉裕在行軍中，雖然常設奇陣或用大弩強槊擊敗魏軍，但進軍速度緩慢。
王鎮惡軍由洛陽進抵潼關後，為秦主力守險以阻，檀道濟軍的糧道也為秦將姚紹截斷，一時間晉軍處於危境。
王、檀二將向劉裕求援，而劉裕卻為北魏軍牽制，因此自顧不暇。
幸得當地百姓的幫助，潼關的晉軍才轉危為安。
三月初八，劉裕以左將軍—向彌率部分兵力屯於黃河重要渡口—碻璈，自率大軍進入黃河。
魏軍為防止晉軍於黃河北岸登陸向魏進擊，也以數千騎兵沿黃河北岸跟隨劉裕軍西行。
期間，凡漂流至北岸的晉軍人員，均被魏軍擒殺。
劉裕數次派兵上岸攻擊魏，可剛一登岸，魏軍便逃離岸邊。
為了擊敗魏軍的襲擾，劉裕命令數千勇士和車百乘，由丁旿和寧朔將軍—朱超石率領，攜帶強弓利箭，登上黃河北岸，列陣而進。
魏軍立即前來進攻，魏將長孫嵩率騎兵三萬四面圍攻晉軍。
晉軍拼力死戰，魏軍被利箭射殺者甚眾，死屍堆積遍地，魏將阿薄幹被斬，魏兵敗退。
朱超石率寧朔將軍—胡藩、寧遠將軍—劉榮祖追殺，又斬俘一千多人。
四月中旬，劉裕進至洛陽，為防止魏軍的襲擊，在洛陽停軍兩個月，部署後方的防衛。
七月，劉裕全面擊退魏軍，十萬魏軍幾乎全軍覆沒，河南全境被收復，劉裕隨後進至陝城。
另一邊，前鋒沈田子攻入武關，進屯青泥。
八月，劉裕至潼關，與諸部會合。
秦主姚泓為緩解兩面受敵的危局，謀劃先消滅沈田子軍，再抵禦劉裕，於是率步騎數萬急趨青泥。
沈田子軍本為疑軍，不過千餘人，但各自為戰，驍勇異常，數次出擊竟使姚泓敗還長安。
此時，王鎮惡突破潼關防線，率師直進，一舉攻陷長安城，姚泓率群臣投降。
至此，後秦便宣告滅亡。
總的來看，劉裕的兩次北伐既抵抗了北方少數民族政權對南方的侵擾，又保護了南方人民的生命和財產安全，保證了江南經濟開發不被破壞。
同時，北伐又擴大了晉朝的領土，東晉也因此成為晉和南朝中領土最大的政權，北伐也為晉朝引入了新的政治力量，這些又為晉朝抵抗北魏提供了條件。
只有等北方民族融合完成，統一條件成熟後，南北才又歸於統一。
因此，劉裕北伐建立的功勳也受到了後來史家的讚揚。
王夫之說：“宋武興，東滅慕容超，西滅姚泓，拓跋嗣、赫連勃勃斂跡而穴處。自劉淵稱亂以來，祖逖、庾翼、桓溫、謝安經營百年而無能及此。後乎此者，二蕭、陳氏無尺土之展，而浸以削亡。然則永嘉以降，僅延中國生人之氣者，唯劉氏耳。”
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