（参见附图2、3、4）
刘裕灭掉南燕后，本欲乘胜平定后秦，因当时正值卢循义军进逼建康，刘裕只好回军救援京师。刘裕先扑灭了卢循、徐道覆的起义，接着又先后攻灭刘毅、诸葛长民、司马休之、鲁宗之等反对势力。义熙九年(413年)，刘裕命益州刺史朱龄石率兵入蜀，消灭了割据蜀地的谯纵。刘裕在晋廷的权势，更加巩固，为平定后秦，更具备了有利的条件。
义熙十二年(416年)，后秦主姚兴死，诸子争夺皇位，后虽由姚泓继承了帝位，但政治混乱，内部矛盾尖锐，刘裕决定乘机北伐，消灭后秦。
同年八月，刘裕率大军自建康进军北伐，分派诸将，5道并进：新野太守朱超石、宁朔将军胡藩率军直趋阳城（今河南登封东南）；命龙骧将军王镇恶、冠军将军檀道济率步军自寿阳（今安徽寿县）渡淮、淝向许（今河南许昌东）、洛（洛阳，今河南洛阳东）方向进军；振武将军沈田子、建威将军傅弘之率军向武关（今陕西丹凤东南）；建武将军沈林子、彭城内史刘遵考率水军出石门（在今河南荥阳北），自汴水入黄河；冀州刺史王仲德总督前锋诸军，同时率水军开巨野泽（在今山东巨野北）入黄河。刘裕亲率大军进驻彭城（今江苏徐州），统一调度诸军，以便相机行事。刘裕上述部署的战略意图是：以前锋诸军水陆并进，合击攻取洛阳，同时以沈田子军为偏师，牵制关中（古称函谷关以西地区为关中）后秦军队来援，待洛阳得手后，刘裕再率大军北上洛阳，会合诸军攻取关中。基于以上战略方针，刘裕曾告诫王镇恶等军，“若克洛阳，须大军至，未可轻前”①。
九月，刘裕进抵彭城。东晋各路前锋进展顺利，所向克捷。王镇恶、檀道济军连克新蔡（今属河南）、项城（今河南沈丘）、许昌（今河南许昌东）、漆丘（今河南商丘北）等地。沈林子、刘遵考军由汴入河，攻占仓垣（今河南开封北）。朱超石、胡藩军顺利进抵阳城一带。王仲德军开通巨野泽进入黄河，逼近滑台（今河南滑县东），北魏滑台守将尉建畏惧，弃城而逃，晋军占领滑台口北魏明元帝拓跋嗣遣大将叔孙建、公孙表率兵渡河，质问晋军侵夺滑台缘由。王仲德命人讲明尉建主动放弃，晋军才进入滑台的。刘裕向北魏解释，晋军只想假道伐秦，对北魏无恶意。于是北魏筑垒河上，严阵戒备。
十月，晋军又攻克阳城、荥阳（今河南荥阳东北），进至成皋（今河南荥阳西北）。后秦洛阳守将姚洮见晋军临近，向长安求救。后秦主姚泓派越骑校尉阎生率骑兵3000、武卫将军姚益男率步卒1万救援洛阳，又令并州牧姚懿屯兵陕津（在今河南陕县），以为声援。后秦援军未至之前，秦将赵玄劝姚洸收缩诸戍之兵，固守金墉城（在当时洛阳西北隅，今河南洛阳东），以待援兵。但姚洸司马姚禹等人暗与晋军檀道济私通，极力劝姚洸出战。姚洸派赵玄率精兵下余人南守柏谷坞（今河南偃师东南），广武将军石元讳
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①《宋书》卷四十五《王镇恶传》。
东戍巩城（今河南巩义西南），抵御晋军。王镇恶、檀道济、沈林子等军自成皋等地长驱直进，石元讳军行至半途，闻晋军已到，退回洛阳。赵玄与晋军战于柏谷坞，兵败战死。檀道济军直抵洛阳，姚洸出降。晋军占领洛阳，俘获秦降卒4000余人，檀道济将其全部释放，秦民感悦，归服者甚众。后秦援军闻洛阳已破，停止前进。
义熙十三年（417年）正月，刘裕以其子刘义隆为徐州刺史，留守彭城，亲率大军从彭城西进。此时，后秦发生内乱，姚泓君臣内外交困，一片慌乱。刘裕进军之初，曾令前锋各军攻克洛阳后，等待各军齐会一同西进。王镇恶、檀道济见后秦发生内乱，有机可乘，遂于同年二月自洛阳分兵西进。一路由王镇恶统率，进军渑池（今河南渑池西），攻占蠡城（今河南灵宝北），直抵潼关（在今陕西潼关北）。另一路由檀道济、沈林子统带，自陕县（今属河南）渡过黄河，进攻蒲坂（今山西永济西），未能克，遂回师南下，与王镇恶合力进攻潼关。
后秦平息内乱后，闻晋军来攻潼关，姚泓以东平公姚绍为大将军、都督中外诸军事，督率武卫将军姚鸾等步骑5万守潼关。三月，檀道济等军进至潼关，姚绍引兵出战，檀道济、沈林子率战士奋勇向前，大破姚绍，斩获数以千计，乘胜攻破潼关。姚绍退守定城（在潼关西30里），依险拒守。姚绍以晋军孤军深入，兵少粮寡，命姚鸾率军断晋军粮道。沈林子率精兵袭击姚鸾军营，杀姚鸾及其将士数千人。姚绍又遣大将姚{赞屯驻黄河之上断晋军水路，又被沈林子击败，退还定城。王镇恶等军未等后续大军，便乘胜克取潼关，与秦军相持于潼关以西一线，军粮渐至枯竭，军心摇动，有人提议弃辎重回师与大军会合。沈林子闻听大怒，按剑说：“相公（指刘裕）志清六合，今许、洛已定，关右将平，事之济否，系于前锋。奈何沮乘胜之气，弃垂成之功乎！且大军尚远，贼众方盛，虽欲求还，岂可得乎！”①田子坚定地表示，将独
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①《资治通鉴》卷一百一十八《晋纪四十》安帝义熙十三年三月。
军而进。此时，王镇恶一面向刘裕大军求援，一面亲自到附近地区筹集军粮，百姓“竞送义粟，军食复振”①。晋军上下人心方安。
刘裕自彭城北进，三月抵达黄河，准备溯河西上，便派人向北魏请求借路。北魏明元帝恐刘裕北上攻魏，遣司徒长孙嵩为督山东诸军事，又遣大将娥清、冀州刺史阿薄干率步骑10万屯驻黄河北岸，监视晋军。刘裕借路没有结果，便以左将军向弥为北青州刺史，镇守碻磝（今山东茌平西南），自率大军入河西上。北岸魏军以数千骑兵随晋军沿黄河西行，晋军南岸拉纤兵士有被激流冲至北岸者，皆被魏军杀伤。刘裕派军上北岸攻击，魏军立即退走，当晋军退后，魏军复来。四月，刘裕派白直队主丁旿率700人及战车百乘，抢渡北岸，在距水百余步处布下弧形的却月阵，两头抱河，每辆战车设置7名持杖士卒，又命宁朔将军朱超石率2000兵士，在丁眸布阵完毕上岸接应；并携带大弩百张，每辆战车上加设20名士卒，在车辕上张设盾牌。魏军见晋军在北岸立营，依仗人多四面围攻。长孙嵩率骑兵3万助战，一起猛攻北岸晋营。朱超石以大弩猛射，并选善射者以箭集束发射，魏军愈战愈多，弓弩不能制。朱超石又命将士用所携带的千余张矛，截断为三、四尺长短，用大锤击尖利以杀敌，一根断矛洞穿敌数人，魏军不能抵挡，一时奔溃，晋军阵斩阿薄干。超石率宁朔将军胡藩等追击，大破魏军，斩获千计。晋军终于沿黄河顺利西进，四月下旬到达洛阳。五月，晋齐郡太守王懿投降北魏，建议北魏派兵截断晋军退路。明元帝问计于谋臣崔浩，崔浩认为刘裕一定会平定后秦，他回师后将会篡位，而关中必不能守，最终会为北魏所有，劝明元帝静观其变。明元帝从其计，但仍派长孙嵩、叔孙建等各率精兵监视晋军，准备在晋军西进后，伺机南侵。
七月，刘裕抵达陕县。此时，沈田子、傅弘之等率偏师千余人，从潼关之南西进，已顺利地进入武关（今陕西丹凤东南），秦守戊将领皆弃城逃跑，田子军进屯青泥关（在今陕西商州西北）。
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①《宋书》卷四十五《王镇恶传》。
八月，姚泓见晋军逼近长安，决定亲率步骑数万至青泥，意欲先消灭沈田子军，无后顾之忧后，再率大军东出与刘裕大军决战。当时刘裕已派沈林子率军增援沈田子而尚未到达，沈田子当机立断，乘秦军初至，营垒未立，遂以千人之众迎战，激励士卒，奋勇向前，遂以寡击众，大破秦军，斩首万余级，姚泓逃还灞上（今西安东）。沈田子与沈林子两军会合，继续前进，关中郡县多降于田子。
刘裕在八月初到达潼关，除派沈林子增援沈田子，令两人合军由青泥侧击长安外，又以朱超石为河东太守，率军北渡黄河进攻蒲坂，自己率主力自潼关直趋长安。朱超石军被后秦军击败，退回潼关。晋军南北两翼一胜一败，使战势变得复杂起来。这时王镇恶请求出奇兵自黄河溯渭水而上，进攻长安。刘裕从之。当时后秦香城（今陕西大荔东）守将姚难率军西撤，王镇恶随后追击，秦镇北将军
姚强与姚难合军屯于泾水之上抵御晋军。王镇恶命将毛德祖进击，大破秦军，姚强战死，姚难逃奔长安。秦东平公姚讚屯驻定城，见战局不利，退守郑城（今陕西华县），刘裕挥军西进。
后秦聚集在长安附近的军队有数万人，姚泓回至长安后，分派诸将，紧急布置防务，令姚丕守渭桥（在长安城北）、胡翼度屯石积（在长安城东北）、姚讚屯灞水之东、姚洸屯于津水之西，自己率军屯于逍遥园。又令姚裕、庞统屯兵宫中，使尚书姚白瓜徙四军杂户入长安，以加强防守，稳定人心。
王镇恶率水军自溯渭水而上，令将士乘坐蒙冲小舰，行船者皆在舱内，后秦人见船无人驾驶而自行，惊以为神。八月下旬，王镇恶水军抵达渭桥，令将士饱餐之后，便弃船登岸。转眼间船舰随渭水洪波而去。王镇恶激励将士说：“卿诸人并家在江南，此是长安北门外，去家万里，而舫乘衣粮，并已逐流去，岂复有求生之计邪！唯宜死战，可以立大功，不然，则无遗类矣”①。他身先士卒，率军奋勇向前，大破姚丕军。姚泓率兵来救，遇姚丕败兵自相践踏，不战自溃，姚泓单骑逃回宫中。王镇恶自平朔门（长
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①《宋书》卷四十五《王镇恶传》。
安北门）进入长安。姚谩乘夜率诸军来与姚泓会合，晋军已将长安城门防务部署好，姚讚军不得入，众皆惊散。八月二十四日，姚泓被迫出降，不久姚讚亦投降晋军，皆被刘裕所杀，后秦灭亡。
刘裕北伐灭后秦之战，在战略上始终采取水陆并进的方针，大军至潼关后，随着战争形势的变化，刘裕对原来的战略部署，进行了调整，使正兵和奇兵的任务发生了颠倒，变成了以正兵牵制敌人，而以偏师、奇兵入武关、进渭水，对敌进行突然袭击。这种战法，正符合《孙子兵法》一书中所说“以正合，以奇胜”的用兵原则。刘裕在指挥战争中，善于因势利导，变化莫测，从而使敌人陷入被动，晋军终于取得了胜利。刘裕本欲留驻长安，经略西北。但诸将领“皆久役思归，多不欲留”①。加之刘裕与桓温有相同的一面，即北伐成功后，伺机取代东晋称帝。恰好当时由于他留下掌握朝政的尚书左仆射刘穆之突然病故，政权有旁落的危险。刘裕便决定东归，以12岁的儿子刘义真为安西将军，镇长安。以王修为安西长史、王镇恶为安西司马、沈田子与毛德祖为安西中兵参军，率兵一万辅佐刘义真镇守关中。
刘裕在同年十二月率军东归，临行之前，关中父老流泪挽留说：“残民不露王化，于今百年，始睹衣冠，人人相贺。长安十陵是公家坟墓，咸阳宫殿是公家室宅，舍此欲何之乎！”②但刘裕灭后秦目的已达到，他决定回江南夺取皇位，不顾百姓的请留，依旧自洛阳入黄河，经汴水南归建康。
由于留居长安的王镇恶与沈田子、傅弘之等彼此之间产生矛盾，并互相残杀，到东晋义熙十四年（418年）十一月，长安被大夏军攻占，关中地区得而复失，这次北伐的成果又丧失殆尽。但由于刘裕两次北伐所取得的胜利，东晋领土扩展到黄河以南广大地区，因而从刘裕代晋到刘宋元嘉之末，约40余年内，是东晋南朝统辖区域最大，以及国力最强盛的时期。
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①②《资治通鉴》卷一百一十八《晋纪四十》安帝义熙十专年十一月。
