八月，刘裕以刘穆之任尚书左仆射，内总朝政，外供军粮，自己率大军分四路北伐。
九月，刘裕扺达彭城。
龙骧将军—王镇恶、冠军将军—檀道济领兵由淮、淝转向许、洛，后秦诸屯守皆望风降附，晋军进展神速。
十月，王镇恶军占领洛阳。
次年正月，刘裕留其子刘义隆镇守彭城，自率大军北上。
此时，北魏派十万重兵驻守河北，并以游骑骚扰晋军。
刘裕在行军中，虽然常设奇阵或用大弩强槊击败魏军，但进军速度缓慢。
王镇恶军由洛阳进抵潼关后，为秦主力守险以阻，檀道济军的粮道也为秦将姚绍截断，一时间晋军处于危境。
王、檀二将向刘裕求援，而刘裕却为北魏军牵制，因此自顾不暇。
幸得当地百姓的帮助，潼关的晋军才转危为安。
三月初八，刘裕以左将军—向弥率部分兵力屯于黄河重要渡口—碻璈，自率大军进入黄河。
魏军为防止晋军于黄河北岸登陆向魏进击，也以数千骑兵沿黄河北岸跟随刘裕军西行。
期间，凡漂流至北岸的晋军人员，均被魏军擒杀。
刘裕数次派兵上岸攻击魏，可刚一登岸，魏军便逃离岸边。
为了击败魏军的袭扰，刘裕命令数千勇士和车百乘，由丁旿和宁朔将军—朱超石率领，携带强弓利箭，登上黄河北岸，列阵而进。
魏军立即前来进攻，魏将长孙嵩率骑兵三万四面围攻晋军。
晋军拼力死战，魏军被利箭射杀者甚众，死尸堆积遍地，魏将阿薄干被斩，魏兵败退。
朱超石率宁朔将军—胡藩、宁远将军—刘荣祖追杀，又斩俘一千多人。
四月中旬，刘裕进至洛阳，为防止魏军的袭击，在洛阳停军两个月，部署后方的防卫。
七月，刘裕全面击退魏军，十万魏军几乎全军覆没，河南全境被收复，刘裕随后进至陕城。
另一边，前锋沈田子攻入武关，进屯青泥。
八月，刘裕至潼关，与诸部会合。
秦主姚泓为缓解两面受敌的危局，谋划先消灭沈田子军，再抵御刘裕，于是率步骑数万急趋青泥。
沈田子军本为疑军，不过千余人，但各自为战，骁勇异常，数次出击竟使姚泓败还长安。
此时，王镇恶突破潼关防线，率师直进，一举攻陷长安城，姚泓率群臣投降。
至此，后秦便宣告灭亡。
总的来看，刘裕的两次北伐既抵抗了北方少数民族政权对南方的侵扰，又保护了南方人民的生命和财产安全，保证了江南经济开发不被破坏。
同时，北伐又扩大了晋朝的领土，东晋也因此成为晋和南朝中领土最大的政权，北伐也为晋朝引入了新的政治力量，这些又为晋朝抵抗北魏提供了条件。
只有等北方民族融合完成，统一条件成熟后，南北才又归于统一。
因此，刘裕北伐建立的功勋也受到了后来史家的赞扬。
王夫之说：“宋武兴，东灭慕容超，西灭姚泓，拓跋嗣、赫连勃勃敛迹而穴处。自刘渊称乱以来，祖逖、庾翼、桓温、谢安经营百年而无能及此。后乎此者，二萧、陈氏无尺土之展，而浸以削亡。然则永嘉以降，仅延中国生人之气者，唯刘氏耳。”