山西麵，共集結兩萬兵力。
己未日，劉裕的軍隊吃完飯後，把剩餘的糧食全部丟棄，進軍到覆舟山以東。他讓體弱的士兵登上山頭，張開旗幟充當疑兵，分幾路同時前進，旗幟布滿山穀。桓玄的偵察兵回來報告說：“劉裕的軍隊到處都是，不知道有多少人。”桓玄更加擔憂恐懼，派遣武衛將軍庾賾之率領精銳士兵去支援各路軍隊。
桓謙等人的士兵大多是北府（京口）人，一向敬畏劉裕，沒有鬥誌。劉裕與劉毅等人分成幾隊，衝鋒突破桓謙的軍陣；劉裕身先士卒，將士們都拚死作戰，無不以一當百，喊殺聲震動天地。當時東北風刮的非常猛烈，劉裕軍隊趁機放火焚燒敵營，濃煙火焰衝天，擊鼓呐喊的聲音震動京城，桓謙等各路軍隊徹底潰敗。
桓玄當時雖然派兵抵抗劉裕，卻已下定決心逃跑，暗中讓領軍將軍殷仲文在石頭城準備船隻；聽到桓謙等人戰敗的消息後，他率領幾千名親信，謊稱要去迎戰，隨後帶著兒子桓昇、侄子桓浚從南掖門逃出。途中遇到前相國參軍胡籓，胡籓拉住馬韁繩勸諫說：“現在宮中的羽林射手還有八百人，都是願意為您死戰的，西邊的人蒙受您家幾代的恩惠，不驅使他們打一仗，一旦放棄這裡，您想去哪裡安身呢！”桓玄不回答，隻舉起馬鞭指向天空，接著鞭打馬匹逃跑，向西奔向石頭城，與殷仲文等人乘船向南逃走。他一整天沒吃東西，手下人送來粗米飯，桓玄難以下咽，桓昇抱著他的胸口輕輕撫摸，桓玄悲痛得不能自已。
劉裕進入建康，王仲德抱著王元德的兒子王方回出來迎接，劉裕在馬上抱著王方回，與王仲德相對而哭。他追贈王元德為給事中，任命王仲德為中軍參軍。劉裕在桓謙過去的營地駐紮，派劉鐘占據東府。
庚申日，劉裕駐守石頭城，設立臨時朝廷機構“留台”，任命百官，在宣陽門外焚燒桓溫的神位，重新製作晉朝祖先的神位，將之送入太廟。他派遣眾將追擊桓玄，尚書王嘏率領百官前往迎接晉安帝，誅殺留在建康的桓玄宗族。
隨後，劉裕派臧熹進入皇宮，收繳圖書、器物，封閉府庫；發現有鑲金的樂器，劉裕問臧熹：“你難道想得到這些東西嗎？”臧熹神色嚴肅地說：“皇上被囚禁逼迫，流亡在外，將軍您首舉大義，為王室操勞，我即使不成器，也絕不會對樂器有想法。”劉裕笑著說：“我隻是跟你開玩笑罷了。”臧熹是臧燾的弟弟。
壬戌日，桓玄的司徒王謐與眾人商議推舉劉裕兼任揚州刺史，劉裕堅決推辭，於是任命王謐為侍中、領司徒、揚州刺史、錄尚書事；王謐又推舉劉裕為使持節、都督揚、徐、兗、豫、青、冀、幽、並八州諸軍事、徐州刺史，任命劉毅為青州刺史，何無忌為琅邪內史，孟昶為丹陽尹，劉道規為義昌太守。
劉裕剛到建康時，各項重大決策都委托給劉穆之，倉促之間製定的製度，沒有不符合民心的。劉裕於是把劉穆之當作心腹，一舉一動都向他谘詢；劉穆之也儘心竭力，毫無隱瞞。當時晉朝政令寬鬆混亂，法紀不立，豪門大族橫行霸道，百姓窮困窘迫，再加上司馬元顯執政時政令錯亂。桓玄雖然想整頓，卻製定了繁雜細密的法規，眾人都不願遵守。劉穆之根據實際情況斟酌調整，隨時矯正弊端；劉裕以身作則，首先用威嚴的法令約束眾人；朝廷內外百官都嚴肅地履行職責，不到十天，社會風氣就有了明顯改變。
起初，諸葛長民到豫州後，因延誤期限沒能按時起兵。刁逵抓住諸葛長民，用囚車將他押送給桓玄。走到當利時，桓玄戰敗，押送的人一起砸破囚車放出諸葛長民，諸葛長民返回曆陽。刁逵放棄城池逃跑，被他的部下抓住，在石頭城被斬首，他的子侄無論老少都被處死，隻赦免了他的弟弟、給事中刁騁。刁逵過去的下屬隱藏了他的侄子刁雍，把他送到洛陽，後秦王姚興任命刁雍為太子中庶子。劉裕任命魏詠之為豫州刺史，鎮守曆陽，諸葛長民為宣城內史。
當初，劉裕名聲低微、職位低下，行為輕薄狡詐，世家大族都不願與他交往，隻有王謐看重他，對劉裕說：“你會成為一代英雄。”劉裕曾與刁逵賭博，沒能按時繳納賭債，刁逵把他綁在馬樁上。王謐見到後，斥責刁逵並釋放了劉裕，還替他還清了賭債。因此劉裕深深怨恨刁逵，而感激王謐。
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蕭方等（南朝史學家）評論說：蛟龍潛伏時，魚蝦也敢輕視它。所以漢高祖赦免雍齒，魏武帝寬恕梁鵠，怎麼能因為平民時的恩怨，釀成帝王與臣子之間的裂痕呢！如今王謐身居高位，刁逵卻家族覆滅，劉裕報恩報怨，心胸多麼狹隘啊！
尚書左仆射王愉和他的兒子、荊州刺史王綏密謀襲擊劉裕，事情泄露，被滅族；王綏的侄子王慧龍被僧人釋彬隱藏起來，得以幸免。
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