但更大的地震，还在后头。就在那一年，刘裕再度起兵北伐，前锋是冠军将军檀道济、龙骧将军王镇恶，战役目标则是灭后秦。
这是两国的战略决战，因此刘裕兵分五路，尽起全国精锐：檀道济、王镇恶率步兵沿淮河、淝水向许昌、洛阳进发；建武将军沈林子率水军自汴水溯黄河西进；冀州刺史王仲德都督前锋诸军，由彭城经泗水、巨野泽进入黄河；新野太守朱超石率军由襄阳进攻阳城（今河南开封东南）；振武将军沈田子、建威将军傅弘之由襄阳挺进武关，牵制关中。刘裕亲率水军劲旅驻扎彭城，等水路全部打通，便督军西进。
檀道济、王镇恶接到将令，随即带领本部人马，攻击前进。檀军进展神速，率先到达项县（今河南项城，袁世凯老家），后秦守将姚掌不战而降。檀道济继续西进，在新蔡（今属河南）遭遇后秦大将董遵的顽强扺抗，他指挥高进之、薛彤等人，猛烈进攻，最终破城，杀掉董遵，继而攻克许昌，俘虏后秦颍川太守姚垣及大将杨业。
檀道济所向披靡，一时间士气高涨，军威大振。他乘胜推进，拔阳城，克荥阳，直抵成皋（今河南荥阳），秦将韦华也举了白旗。荥阳、成皋一失，洛阳也就成了孤零零一颗熟透的桃子。镇守洛阳的是后秦征南将军姚洸，他连连告急，向关中乞求援兵。姚泓派将姚益男领一万人马星夜兼程，赶赴救援，可援军尚未到达，姚洸无力承受猛烈的攻击，已经带领四千残兵，开城请降。
将军们都主张杀掉俘虏以壮军威，但檀道济不同意。他说：“伐罪吊民，正在今日。”下令全部释放，让他们回归乡里，同时严明军纪，保证进入洛阳后不扰民。此举让宋军大大得分，羌人争相归附。自从桓温北伐以来，汉族居民还没见过晋军——这可是所谓的王师。檀道济既无暴虐之举，他们当然乐得支持。
洛阳是军事重镇，刘裕非常重视，事先特意告诫诸将：“克洛阳，须大军至，未可轻前。”但谁也没想到，洛阳不过是个纸糊的老虎，一戳就破。战机稍纵即逝。檀道济和王镇恶不等主力会合，便向纵深推进：王镇恶攻克渑池，准备进军潼关；檀道济和沈林子渡河北上，进攻蒲坂（今山西永济），打算绕过潼关，直插关中。然而蒲坂地势险要，城坚难下。檀道济审时度势，再度回军河南，会同王镇恶合攻潼关。后秦太宰姚绍率军五万援救，开关出战。檀道济和王镇恶指挥所部奋勇冲杀，杀伤秦军千余人。秦军受挫，退驻定城（今陜西华阴东），据险固守。
公元417年正月，刘裕率军从彭城出发，溯黄河而上。王仲德所部先向北进发，然后折向西进入黄河河道。北魏派出三万骑兵，在黄河北岸监视晋军动向。北魏也是鲜卑人的国家，他们的骑兵已经装备马鞍，战斗力非常强。晋军长途行军，侧翼完全暴露在北魏骑兵的马刀之下，这在战史上还从来没有过。然而刘裕不愧是员名将，善于指挥步兵、水军、骑兵、战车协同作战，发挥最大的战术效能。尽管右翼毫无保障，他依然胸有成竹，下令以战船和水军为依托，战车在河边摆成弧形，弓弩手、长矛手布置在战车中间，组成“却月阵”。北魏骑兵海浪一般冲来，效果却如同头撞南墙，最终只得眼睁睁地看着晋军西进，顺利抵达洛阳，完成集结。
后秦国主姚泓组织步骑数万，本打算正面迎击刘裕，忽然接到武关告急的文书，决心先解决侧翼，于是带领人马直下东南。推进青泥（今陕西蓝田）时，正好跟沈田子不期而遇。沈田子所部只是疑兵，兵力不过千余人。突然遭遇强敌，情况十分危急。光脚的不怕穿鞋的。沈田子临危不惧，激励部下主动发起攻击，晋军个个玩儿命，给予秦军重大杀伤。正在此时，晋军后援赶到，姚泓无心再战，匆匆败退而去，关中郡县纷纷望风而降。
正面之敌据险死守，一时难下。王镇恶自告奋勇，带领艨艟小船，沿渭河直接突击长安。定城的秦军得到消息，赶紧后撤到郑城（今陕西华县）。敌退我进，刘裕也跟着进逼郑城。王镇恶进展顺利，很快就推进到了长安北部的渭桥。姚泓带领主力过来试图堵截，但他的阵势还没摆开，已经被前方的溃兵冲散。八月二十四日，姚泓见大势已去，只得束手就擒，最终被押到建康斩首，后秦灭亡。
这是整个东晋南北朝期间，唯一成功的北伐。刘裕恢复了整个黄河南岸地区，使南朝疆域达到最大值，相当于三国时期吴蜀两国的总和再加上关中。北伐期间，大军中途变更方向（先向北后折向西）、侧敌行军（右翼完全暴露给北魏），都是战争史上的创举。然而刘裕的着眼点始终在国内，担心后方有变、大权旁落，不等关中形势稳定，便留下十岁的儿子、桂阳公刘义真为安西将军，雍秦二州刺史，镇守关中，王镇恶、沈田子、傅弘之等人辅佐，主力匆匆撤回，最终还是被别人摘走了成熟的桃子。
王镇恶是王猛的孙子，而王猛又是前秦苻坚的名将贤相，号称“关中良相惟王猛，天下苍生望谢安”。在他的辅佐下，苻坚的前秦政权实力大增。如果不是王猛已经去世，苻坚也许不会贸然发动淝水之战，前秦也不至于脆败。这些都是题外话。王镇恶背景特殊，而手下将领又全部是南方人，于是慢慢传出谣言，说他打算杀掉所有的南方将领，窃取关中自立。此前曾经有人告发王镇恶“有异志”，因为他将姚泓使用的辇据为己有。刘裕派人调查，得知王镇恶只想要辇上的珠宝，也就没有追究。反正王镇恶素来贪财，尽人皆知。此时谣言四起，军心不稳，刘裕又远在建康，鞭长莫及。最后青泥大捷的功臣、中军参军沈田子设计杀掉王猛，没过多久，他自己又被长史王修收杀，王修又被刘义真处死。诸位将军内讧，关中实力大为削弱，很快就被大夏吞并。
