义熙五年（公元409年）三月，江南下起了罕见的大雪，平地积雪数尺。就在这一片白雪笼罩下，刘裕上书晋安帝要求北伐南燕，晋安帝同意，并于四月在西堂为刘裕壮行。十一日，刘裕率领北伐舰队，从建康出发，由淮河进入泗水，正式打响了北伐南燕之战。五月，北伐军推进到下邳（江苏睢宁）后弃舟登岸，留下辎重，从陆路徒步挺进到琅邪。晋军所到之地，都构筑城池，留下部队驻守。

听说晋军大举北伐，慕容超在东阳殿上与南燕群臣商议对策。

南燕侍中、尚书、领左卫将军公孙五楼给出了上、中、下三个策略。上策是占据大岘要隘，把晋军挡在本国腹地之外，等晋军失去锐气后以精锐骑兵沿着海岸线向南穿插，断绝晋军的粮道。再命令段晖率领兖州的部队，顺着梁父山东下，对晋军前后夹击。

中策是命令各地郡守，依托险要严密防守，留足必要的粮食，剩余的全部焚烧，拔掉田野里的秧苗，使晋军抢不到粮食，坚壁清野，等待敌人转入劣势。敌客我主，没有军粮，又无法与我决战，十天半月即可瓦解。

下策是让晋军通过大岘险要，与其在城下决战。

慕容超回答∶“京师人口众多，一时之间难以全部入城固守；青苗遍野，也不是顷刻之间就能完全割完。将庄稼都割完，大家都避敌不战，固守城池，以保全性命，这不是朕能做到的。如今，岁星在齐国之地，以天道推算，我必不战自克晋军再从人事上说，朕占据五州之地，有山川河流之固，战车上万，铁马无数，为何要不战就先自我伤害?即便是让晋军度过大岘险要，进入平原，我以精锐骑兵践踏蹂躏，何愁不能将其击败?”

辅国将军贺赖卢苦去劝谏，慕容超执意不从。退下后，他对公孙五楼说∶“圣上不用我的计策，很快就要灭亡了啊!”

太尉、桂林王慕容镇建议∶“陛下真的打算在平原地带用铁骑进攻晋军，就应当南出大岘，即使经过战斗不能取胜，还能够退守大岘固守，不能让敌人顺利越过大岘天险。过去，成安君没有固守井陉关，最终被韩信生擒；诸葛瞻没有抢占束马悬车的险要，而被邓艾击败。臣以为天时不如地利，固守大岘，的确是上策。”慕容超没有听从。

慕容镇退下后，见到韩倬说∶“主上既不能坚壁清野，固守险要，又不肯迁徙军民，简直就是刘璋第二。今年国家灭亡后，我身为皇族，肯定会被处死。卿等身为中原汉人，却不得不断发文身了!”慕容超听了，不禁大怒，将慕容镇投入监牢。

慕容超下令撤防莒城（山东莒县）、梁父（山东泰安）两城，将部队全部集中到京城，加强京师的防御，修缮城墙，养精蓄锐，以待晋军。

南燕君臣提到的大岘，其实就是穆陵关，它位于大岘山与龙山的结合部，是山东南面的一道天然屏障。

刘裕大军北伐之初，东晋也有部分朝臣担心，若南燕听说晋军大举北伐，不敢应战，固守广固，坚壁清野，断绝晋军粮道，晋军不仅难以取胜，而且还有覆灭的危险。刘裕回答∶“对此，我也考虑多时了。鲜卑贪婪，没有深谋远虑，侵袭时，只希望多多抢掠，防守时，又怜惜庄稼。他们肯定认为我军深入敌国，不能持久，因此，燕军最多会前进到临朐，要么就退守广固。我军一旦度过大岘，则置之死地，人人再无后退之心，我驱赶着怀揣必胜决心的将士，去迎击怀有二心的敌人，不用担心不会胜利。他慕容超肯定不会坚壁清野，我敢与大家打赌。”

义熙五年（公元409年）六月，刘裕率领北伐军一路北上，沿途没有遇到南燕军队强有力的抵抗。等到晋军越过大岘时，刘裕喜形于色，他以手指天，庆幸地说道∶“我成功了!”

身边的人说∶“大人尚未见到敌人，却乐成这个样子，到底是怎么回事?”刘裕回答∶“我晋军已越过了天险，将士们个个都有了必死决心。田野里到处都是粮食，我军再无断粮的忧虑。南燕君臣已在我的掌握之中了。”

同月十二日，晋军进抵东莞。

不久前，南燕主慕容超命令左军将军段晖、辅国将军贺赖卢等六位将军率领步骑五万，南下驻守临朐（山东临朐）。听说晋军已越过了大岘天险，慕容超亲自率领四万部队，增援段晖等人。一时间，临朐的南燕军兵力达到了十万。

临朐城南四十里，有一条河流，叫巨蔑水。慕容超抵达前线督战以后，对公孙五楼说∶“应当占据巨蔑水，晋军前来没有水源，也难以作战。”公孙五楼率领骑兵前往驻守。

晋军前锋官为孟龙符和沈田子。孟龙符率领晋军步骑混合兵团也已到达巨蔑水附近，两军当即就发生了一场遭遇战。孟龙符武艺绝伦，他跨马挺枪，单身匹马冲入敌阵，杀死了很多燕军士兵，燕军败退而去，晋军遂占领了水源地。孟龙符乘胜飞马追击，后面的骑兵没有及时跟上，被南燕数千骑兵团团围住，孟龙符每一回合总要杀死几名南燕军，但终因寡不敌众而战死沙场，年仅23岁。孟龙符战死后，刘钟率领亲随冲入敌阵，夺回了孟龙符的尸体。

晋军共有四千多辆战车，刘裕下令将这四千辆战车一分为二，放置在部队的左右两侧，以抵挡南燕军铁骑的冲击。战车之上全部布上帷幔，车上士兵均手持长矛，又在车辆外围布置了游动骑兵。就这样，晋军主力号令严整，队形整齐，缓缓向临朐城压来。当晋军行进到距离临朐数里时，一万多鲜卑铁骑突然从前后左右朝晋军杀来。

两军一直在临朐城南激战到中午，仍然不分胜负。

参军胡藩对刘裕建议道∶“南燕军队屯军城外，城内守军必然空虚，如今，派军掩袭临朐城，拔掉燕军城上的旗帜，这就是韩信井陉关攻克赵军曾用过的计策。”刘裕立即采纳了胡藩的建议，命令檀韶率领胡藩、向弥等五十人偷偷从小路迂回到临朐城。

这支突击部队偷偷来到临朐城下，宣称是从海路上来增援的轻装部队。向弥最先登上城墙，砍掉了南燕军大旗，一举占领了临朐，夺取了南燕军的全部辎重。在临朐城内静等捷报的慕容超不禁大惊失色，单身匹马逃出城南，投奔段晖的军队。

临朐失守，南燕军队顿时军心大乱，刘裕趁机指挥晋军向南燕军发起总攻击。他亲自擂鼓，晋军如入无人之境，段晖之军次战败，段晖本人也临阵被杀，南燕军大败。除段晖外，晋军共斩杀南燕军大将十余人，慕容超率领残兵败将仓皇逃回广固。晋军缴获了南燕皇帝玉玺、御用车辆及悬挂在御车后面的豹尾。

晋军乘胜一直追击到广固，六月十九日，攻陷广固外城，对外城实施屠城。慕容超率众退守内城，刘裕命令在广固内城外开挖三道壕沟，构筑一道高三丈的长墙。然后，派遣使者到齐地各地招抚百姓，齐地各族民众都十分欢迎晋军。刘裕下令暂停从江南运送粮草，军队就地征集粮食。

慕容超退回广固后，一方面分别派遣尚书郎张纲，韩范与王蒲前往后秦，请求增援，另一方面下令赦免慕容镇，并加封其为录尚书事、都督中外诸军事。

韩范与王蒲离开广固不久，晋军就完全包围了广固城。

慕容超的亲信、尚书垣遵及其弟弟、京兆太守垣苗越城投降了晋军，刘裕任命两人为代理参军。此时，东晋朝廷又加封刘裕为北青州、冀州二州刺史。晋军在广固城下制造攻城器具，城上南燕军看到后，说∶“你们得不到张纲，造这些东西都是没有用的。”慕容超派往后秦乞师的尚书郎张纲，工于制造各种兵器。此时张纲正从长安归来，不过此行却是空手而归，姚兴假装同意救援南燕，但并没有派军前来。刘裕得知张纲是位能工巧匠后，即命令泰山太守申宣在张纲的必经之路上拦截，将其抓获。

晋军抓获张纲后，刘裕命人将张纲带至高车之上，让他对城上的南燕军高呼∶“刘勃勃已经大破秦军，无兵可救。”城上南燕军无不面面相觑，大惊失色，慕容超大怒，命人朝张纲射箭。在此期间，晋军又抓获了南燕尚书右仆射张华、尚书中丞封恺，刘裕命令二人给慕容超写信，劝说他投降。慕容超给刘裕回信，请求作为属国，以大岘山为两国边界，并献上一千匹良马，两国和好，但遭到刘裕拒绝。

不过，当南燕后派出的韩范见到姚兴时，姚兴还是派遣姚强率领一万步骑，随着韩范一起前往洛阳，与驻守洛阳的姚绍一起发兵救援南燕。然而，平凉战事瞬息万变，洛阳后秦军尚未上路，姚强就接到火速回援长安的命令。韩范听到这一消息，不禁叹息道∶“上天这是要灭亡南燕啊!”

从长安东返的尚书张俊投降了晋军，他建议刘裕说∶“如今南燕之所以还固守穷城，就是寄希望于韩范能够带来后秦援军。韩范毕竟名重一时，而且与姚兴又是老朋友，如果刘勃勃失败，后秦必会出兵救援南燕。应给韩范送去密信，许以高官厚禄，一旦他投降了，广固城自然就降了。”刘裕给韩范写信，答应任命其为散骑常侍，韩范得到书信后，即投降了晋军。

义熙五年（公元409年）的整个下半年，晋军一直牢牢地围困着广固，而南燕军也死死地驻守在城内拒不投降。南燕灵台令张光劝说慕容超投降，慕容超大怒，亲手将其杀死。在此期间，晋朝廷从后方源源不断地派来增援部队。每一支部队前来，刘裕就事先派出现有部队与增援部队汇合，第二天，再敲锣打鼓声势浩大地来到前线。在晋军的威势下，广固城内，人心惶，城外，百姓们也纷纷向晋军送来粮食。

义熙六年二月五日，在经历了大半年的围困以后，刘裕决定攻城。

晋军从广固城四面八方一起进攻，南燕尚书悦寿打开了城门迎接晋军，晋军将领向弥第一个冲进城中。慕容超与数十名亲信骑马逃跑，被晋军征虏贼曹乔胥追上活捉。

慕容超被押到刘裕跟前，刘裕斥责他为何不早早投降，慕容超神情自若，只是将自己的老母托付给刘敬宣，始终一言不发。

刘裕将他押送到建康，在建康街市上，慕容超被斩首示众，时年26岁，在位六年。南燕政权自慕容德在晋安帝隆安四年登基至今，共存续了十一年。