攻打後秦，擄掠平涼地區的七千多戶少數民族百姓，進軍屯駐在依力川（今甘肅平涼附近）。
四月十一（己巳），劉裕從建康（今江蘇南京）出發，率領水軍從淮河進入泗水。五月，抵達下邳（今江蘇邳州），留下船隻和軍用物資，率領軍隊步行前進到琅邪（今山東臨沂）。所經過的地方都修築城池，留下士兵守衛。有人對劉裕說：“燕人如果封鎖大峴山（今山東臨朐西南，為險要關口）的險要地勢，或者加固壁壘、清空田野（轉移物資、銷毀糧食，讓敵軍無補給），我軍深入敵後，不僅無法建功，還可能無法返回，該怎麼辦？”劉裕說：“我已經考慮得很周全了。鮮卑人生性貪婪，沒有長遠打算，前進時隻想著擄掠財物，後退時又舍不得田裡的莊稼，他們認為我軍孤軍深入，不能持久作戰，最多隻會前進占據臨朐（今山東臨朐），後退堅守廣固（今山東青州，南燕都城），一定不會據守險要、清空田野，我敢向各位保證這一點。”
南燕君主慕容超得知東晉軍隊前來，便召集大臣商議對策。征虜將軍公孫五樓說：“吳軍（指東晉軍隊，因東晉定都江南，古代常稱江南為吳地）輕便果斷，擅長速戰速決，不能和他們正麵交鋒。上策是據守大峴山，阻止他們進入境內，拖延時間，消磨他們的銳氣，然後再挑選兩千精銳騎兵，沿著海邊南下，切斷他們的糧道；另外命令段暉率領兗州的軍隊，沿著山地向東進軍，前後夾擊敵軍。中策是命令各地守將憑借險要地勢各自堅守，除了留下必要的物資儲備，其餘全部燒毀，鏟除田間的莊稼，讓敵軍沒有物資可掠奪，他們孤軍深入、沒有糧食，想作戰又找不到對手，一個月之內就能坐等他們被製服。下策是放縱敵軍進入大峴山，然後出城迎戰。”慕容超說：“今年歲星（木星）位於齊地（南燕疆域主要在古齊地），從天道推算，我們不用作戰就能戰勝敵軍。從雙方形勢來看，他們遠道而來，士兵疲憊，勢必不能長久作戰。我們占據五州之地（南燕自稱擁有青、徐、兗、幽、並五州），擁有富庶的百姓，數萬精銳騎兵，田野裡到處都是成熟的麥子，為什麼要鏟除莊稼、遷徙百姓，削弱自己的力量呢！不如放縱他們進入大峴山，再用精銳騎兵衝擊他們，還怕不能戰勝嗎！”輔國將軍、廣寧王賀賴盧苦苦勸諫，慕容超不聽，賀賴盧退下後對公孫五樓說：“如果一定要這樣做，亡國就沒幾天了！”太尉、桂林王慕容鎮說：“陛下如果認為騎兵適合在平原作戰，就應該出兵大峴山迎戰，就算戰敗，還能退守；不應該放縱敵軍進入大峴山，自己放棄險要地勢。”慕容超還是不聽。慕容鎮退出後，對韓卓說：“主上既不能迎擊敵軍、擊退敵人，又不肯遷徙百姓、清空田野，反而讓敵軍深入腹地，坐等被包圍攻打，太像當年的劉璋（東漢末年益州牧，因懦弱無能，最終投降劉備）了。今年國家滅亡，我一定會死。你是中原人士，到時又要像百越人那樣在身上刺花紋（指被迫接受異族統治）了。”慕容超得知後大怒，立即下令將慕容鎮逮捕入獄。隨後，慕容超調集莒城（今山東莒縣）、梁父（今山東泰安）的守軍，修繕城池、訓練士兵戰馬，等待東晉軍隊。
劉裕率軍通過大峴山，南燕軍隊果然沒有出兵阻攔。劉裕舉起手指著天空，臉上露出喜悅的神情。身邊的人問：“您還沒見到敵軍就先高興，這是為什麼呢？”劉裕說：“軍隊已經通過險要關口，士兵們就有了必死的決心；田野裡還有未收割的莊稼，我們沒有糧草匱乏的擔憂。敵人已經落入我的手掌心了。”六月十二（己巳），劉裕率軍抵達東莞（今山東沂水，非今廣東東莞）。慕容超此前已派遣公孫五樓、賀賴盧以及左將軍段暉等人，率領五萬步兵騎兵屯駐在臨朐；得知東晉軍隊進入大峴山後，慕容超親自率領四萬步兵騎兵前往臨朐與他們會合，同時讓公孫五樓率領騎兵進軍占據巨蔑水（今山東彌河）。東晉前鋒將領孟龍符率軍與公孫五樓交戰，將其擊敗，公孫五樓逃走。劉裕命令士兵用四千輛戰車組成左右兩翼，並排緩慢前進，與南燕軍隊在臨朐以南展開激戰，一直打到傍晚（日向昃），勝負還未分曉。參軍胡籓對劉裕說：“燕軍把全部兵力都投入戰場，臨朐城中的守軍一定很少，我請求率領一支奇兵從小路奪取臨朐城，這就像當年韓信擊敗趙國的‘背水一戰’之計（韓信率軍出井陘口，先派兵襲取趙軍大營，前後夾擊獲勝）。”劉裕派遣胡籓以及諮議參軍檀韶、建威將軍河內人向彌，暗中率領軍隊繞到燕軍後方，進攻臨朐，同時故意宣稱是從海路趕來的輕裝部隊。向彌身穿鎧甲，率先登上城牆，最終攻克臨朐。慕容超大驚失色，獨自騎馬逃到城南，投奔段暉。劉裕趁機指揮大軍奮勇進攻，燕軍大敗，斬殺段暉等十多名大將，慕容超逃回廣固，東晉軍隊繳獲了南燕的玉璽、皇帝車駕以及象征皇權的豹尾。劉裕乘勝追擊，抵達廣固，六月十九（丙子），攻克廣固外城，慕容超收攏殘餘部眾退守內城。劉裕下令修築長牆包圍內城，牆高三丈，挖掘三道壕溝；同時安撫接納投降的燕人，選拔任用有才能的人，漢族人和少數民族人都十分高興。於是，東晉軍隊依靠齊地的糧食儲備，停止了從長江、淮河一帶的漕運。
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