刘裕打败桓玄后，在朝中势力大增。但他在朝内立足未久，除了灭桓玄之外并没有什么功劳。和桓温一样，刘裕也把北伐作为增强自己政治威望的手段。
东晋义熙五年（公元409年）二月，慕容超竟因为嫌乐伎太少，发兵攻击晋朝北境，掳去大量人口，挑选了男女2500百人作乐伎。一个月后，刘裕借此正式上书晋安帝司马德宗，请求出兵讨伐南燕。
此议一出，众朝臣议论纷纷，多数都持反对意见。有人反对是因为对刘裕的将才无信心，担心北伐不能成功。因为东晋之前两次最有望成功的北伐失败了。也有人反对是因为对刘裕的将才太有信心，当时野心勃勃的刘毅，深深的感觉到，如果刘裕再通过灭燕增加权势威望，就会威胁到自己。赞同者只有尚书左仆射孟昶、车骑司马谢裕和参军臧熹三人。然而，尽管当时反对意见居多数，但是此时的刘裕手掌大权，就像是挟天子以令诸侯，所以，北伐建议顺利转变成了北伐行动。
四月，刘裕率大军从建康出发，乘船沿长江入中渎水（连接长江与淮河的人工运河，后来成为大运河的一段，即邗沟），经淮水，至泗水，于五月份到达下邳（今江苏睢宁），正式开始了他的第一次北伐。
东晋此次出动的北伐大军不但兵力较为雄厚，参战的各级指挥官也称得上人才济济，有刘裕的第一心腹谋士刘穆之，老友刘敬宣，还有其他著名的将领。这其中有檀韶、胡藩、朱龄石等人，还有北府将领孟龙符（孟昶的族弟）、向弥、蒯恩等以及刚刚离任的临澧（今湖南桑植）县令王镇恶。
刘裕进抵下邳后，面临的问题是选择哪一条进军路线，打进南燕的心腹地带。南燕中部偏南有一系列东西向的山脉，通常称做鲁南丘陵，成为南燕防备南方军队进攻的天然屏障，由泰山、鲁山、蒙山、沂山等组成，其中蒙山和沂山绵延较长，又彼此衔接，称为沂蒙山。春秋时期齐桓公为防备南方各国可能的进犯，沿着山势修筑了绵延600多公里的大型防御工事，也就是著名的齐长城。
十六国时代时虽然大部分已经荒废，但其险要地势仍在。要穿过这道屏障进攻广固，大约有三条道路可供选择。
西路是沿当年桓温伐前燕时的水道前进，过梁父后转向东北，可达广固。这条路有较长的水道可以利用，但要拐个大弯，路途遥远，而且会将自己的侧翼暴露在后秦与北魏的威胁之下，很不安全。中路是沿沂水而上，经琅琊，翻越大岘山，过临朐至广固。这是最短的线路，故后勤运输比较方便。但翻越大岘山要经过著名的天险穆陵关，山道狭窄，两车不能并行，如遇南燕重兵阻击，则十分不易突破。东路是向东北经东莞、东武，沿黄海海岸而上进入潍水，再从今潍坊转向西，直达广固。这条路可以绕开山地，不易受后秦或北魏的威胁，但路程最远，沿途多滩涂，行军补给均不方便。
刘裕权衡利弊后，决定选择中路。从江苏到山东要经过很远的路程，而刘裕率领的多是步兵，高阳烈日下孤军深入，无险可守，但是刘裕胸有成竹，他说∶ "慕容超此人贪财好利，又贪军功，因此不会坚壁清野，也没有耐性打持久战。大军一到，慕容超必定出兵，到时必定成功。"事实果然如刘裕所料，晋军一路虽然轻兵北进，但是沿途都是农业发达地区，根本不愁补给。慕容超认为可以打败刘裕，不舍得坚壁清野;他也等不及和刘裕持久作战，认为刘裕轻兵远来，肯定疲惫至极，放出骑兵一冲杀必能成功。刘裕料到他会和自己在平地拼杀，因此毫不惧怕。
当年六月，燕、晋两军在临朐以南相遇并大战。刘裕摆出4000辆车分为两翼徐徐推进，慕容超的骑兵在战场上难以施展，只得和步兵作战。这时刘裕派一万军偷袭临朐，同时在前线发动猛攻，斩杀燕军十几员大将。慕容超大败，弃军出逃，他乘坐的玉辇和玉玺都被缴获，余军逃窜到广固城等待援军。刘裕没有立即攻城，而是气定神闲地在广固城附近安营扎寨，招抚流民。时近六月，谷物成熟，一切军需遍地所取，后勤给养甚至不仰赖南方的漕运。
困守孤城的慕容超派尚书张纲到长安向后秦求救，不到半路却被刘裕军抓住。刘裕让张纲立在楼车上面，向城中喊话∶ "刘勃勃大破秦军，无兵相救！"其实后秦倒有心救燕，就是派不出兵来，而是虚张声势派了使者到刘裕军中来恐吓说"大秦派了十万铁骑已经走到洛阳，贵军最好识相撤退。若贵军拒不撤退，大军将要东进。"
凑巧的是刘裕抓住的这个送信的使者张纲恰好是制造兵器的。于是，刘裕让他制造各种攻城器具，增强晋军的攻击力量。城内的慕容超恼羞成怒，把张纲的母亲押到城头肢解处死。这残忍的举动激怒了张纲，使他更努力地制造各种军械。
城中守军知道后秦来援的希望破灭，无不沮丧失望。一个叫张俊的官员见势已至此，无可挽回，便偷偷溜走投降了刘裕，并献策说："燕国之所以到现在还坚持不降，就是寄希望于韩范能够带着秦国的援军回来，如果我们得到韩范，让城里的守军看见，使他们知道援军已经无望，必然投降。"刘裕认为有理，便一面写亲笔信给韩范，劝其归降，一面上奏朝廷，推荐韩范担任散骑长侍。不久后，韩范降晋。
有几个臣下建议慕容超立即诛杀韩范满门，以儆效尤，但慕容超认为韩范的弟弟韩谆是难得的忠臣，故不予采纳，韩范的亲属全部赦免。至此，守军大多已经没什么士气了，只有皇帝慕容超还在顽强或者说顽固地抵死不降，也不许任何人提"投降"二字，并将建议他投降的灵台令张光处死。
义熙六年（公元410年）正月初一，慕容超登上天门，接受文武百官的新年朝贺。然而，此时的慕容超为挽回败局，做着最后的挣扎，二月初，他命公孙五楼与贺赖卢挖掘地道，乘夜出城偷袭晋军，虽然趁晋军久围松懈，一度击破檀韶负责的一段围墙。但随后就被闻讯赶来的晋军打败。
从义熙五年的六月到义熙六年的二月，晋军围城已达八个月之久，广固城还未攻下，主要原因是刘裕采取了围而不攻的策略。
但二月份之后，情况发生了变化。刘裕接到密报∶卢循和徐道覆计划趁他不在建康，从广州北上，大举进犯朝廷！虽然刘裕对具体情况并不明了，但他已预感到此事非同小可，广固之战不能再无限期拖下去了。
二月五日，刘裕下达了对广固城发动总攻的命令。随后，晋军从广固四面八方同时发起猛攻!檀韶为弥补前几天松懈失利的过错，率所部奋勇当先，未经激战，南燕尚书悦寿便私自打开城门迎接晋军入城，慕容超得知广固已破，率数十名骑兵想突围逃走，被晋军擒获，被押往南方，在建康的集市上公开处斩。随着南燕——鲜卑慕容氏本家建立的最后一个国家灭亡，曾在十六国历史中扮演过极重要角色的慕容家族基本上退出了历史舞台。
在这次的北伐南燕的战役中，刘裕大开杀戒。之后，刘裕又下了一道命令∶将广固城拆毁，夷为平地!刘裕不但拿下了广固城，而且成了它最后一位征服者，此后的广固城、只留下了少许断壁残垣，供人凭吊。
