当刘裕辅政时，北方的割据势力主要是北魏，南燕，胡夏，和后秦，而其中南燕最靠近东晋。
公元409年正月初一，南燕君主慕容超在东阳殿朝会大臣们，叹息宫里的太乐不够齐备，想掠夺晋人来补充艺伎。领军将军韩卓说：“先帝因为旧京沦陷，而来占据三齐大地。陛下不养士息民，以对付北魏的挑衅，想法恢复先帝的基业，反而打算侵掠南方的邻居，增加仇敌。这怎么行呢！”慕容超说：“我的主意已定，不和爱卿多说了。”
正月初二，东晋大赦。正月二十一，朝廷任命刘毅为卫将军、开府仪同三司。刘毅爱才好士，当世名流无不依附他，只有扬州主簿吴郡人张邵不这么做。有人问他，张邵说：“主公（指刘裕）是命世人杰，何必麻烦多问！”
二月，南燕将领慕容兴宗、斛谷提、公孙归等人率领骑兵入寇并攻陷了宿豫，生擒了阳平太守刘千载和济阴太守徐阮，然后大掠而去。他们还在被夺走的晋人中挑拣了二千五百人交付太乐队教他们音乐。公孙归是南燕权臣公孙五楼的兄长。慕容超又派公孙归等人入寇济南，生擒了东晋太守赵元，俘虏了男女一千多人后离去。从彭城以南，民众都修筑堡垒聚在一块，用以自固。朝廷下诏给并州刺史刘道怜，让他出镇淮阴防备南燕。
三月，刘裕上抗表请求讨伐南燕。朝廷的意见都认为不可，只有左仆射孟昶、车骑司马谢裕、参军臧熹认为北伐必胜，劝刘裕出兵。刘裕于是任命孟昶负责中军留府事宜。谢裕是谢安兄长的孙子。
当初，前秦苻氏失败时，王猛的孙子王镇恶来投奔东晋，朝廷任命他为临澧令。王镇恶骑马射箭并非所长，但却很有谋略。他办事果断，也喜欢谈论军国大事。有人推荐王镇恶给刘裕，刘裕和他交谈后，很喜欢他，因而把他留下过夜。第二天一早，刘裕跟参佐们说：“我听说将门有将。王镇恶让我相信了这点。”即任命他为中军参军。
公元409年四月十一，刘裕从建康出发大举讨伐南燕，率领水师从淮河进入泗水。五月，晋军来到下邳。刘裕将船舰和辎重都留在那里，然后率领大军步行抵达琅邪。所经过的重镇他都修筑城池，留下部分士兵守卫。有人跟刘裕说：“燕人如果利用大岘山的天险，或者坚壁清野，那样我们大军深入，将会不但没有功劳，而且未必能安全回归。那时该怎么办？”刘裕说：“我已经深思熟虑过了。鲜卑人很贪婪，不知道从长远考虑。他们进则虏获所得，退又爱惜禾苗；以为我孤军深入，必不能持久。所以他们不过进据临朐，退守广固，必然不会据守险要，坚壁清野。我敢为诸君担保。”
慕容超听说东晋大军入境，便召群臣商议对策。征虏将军公孙五楼说：“吴兵轻装勇猛，利在速战，我们不能和他们争锋。陛下应当占据大岘，让他不得入境，慢慢拖住他们，消耗他们的锐气，然后精心挑拣两千精骑，从海上往南，断绝他的粮道，然后再命令段晖率领兖州的军队，沿着泰山的东面进军，从腹背夹击刘裕。这是上策。陛下也可以命令地方守将依险自固，充分储备了自己的军粮后，把剩余的粮食全部烧光，毁坏田里的庄稼禾苗，让敌军一无所得。对方远道而来，既没有了军粮，又无法和我们决战，最多不过个把月之间，我们就可以制服他。这是中策。让贼兵进入大岘，出城跟他决战，那是下策。”
慕容超道：“如今岁星（即木星）在齐地上空，从天道上推论，我们将会不战而胜。客主局势不同，就人事来说，他们远道而来必定疲弊，势不能持久。朕占据五州的地盘，拥有富庶的百姓，还有铁骑上万，小麦禾苗布满田野，为什么还要毁坏田野，迁徙百姓，弄得自己看不起自己！不如放他们进入大岘，然后用我们的精骑踩着他们的身躯而过，还怕打不赢他们！”辅国将军广宁王贺赖卢再三劝谏，但慕容超不听。贺赖卢退下后跟公孙五楼说：“主上如果一定要这样做，我们离败亡的日子没几天了！”
太尉桂林王慕容镇跟慕容超进言道：“陛下如果一定要用骑兵在平地上和晋军作战，那么就应当到大岘外头作战。这样一旦不能战胜，还可以退守，不应当纵使敌人进入大岘，而自己放弃天然的险固。”慕容超不听。慕容镇出来后跟韩卓说：“主上既不能出山作战，退却敌兵，又不肯迁徙民众，坚壁清野。像这样把敌人引入腹心地带，坐着等待被他们围困，不就跟当年益州的刘璋一模一样吗？今年国家将要灭亡，我也一定会战死。先生是中原华人，恐怕不久将会成为纹身的吴越人了。”慕容超听说后大怒，把慕容镇投入监狱。慕容超接着收回莒城和梁父的卫戌部队，修固广固的城墙，拣练兵马，等待刘裕晋军的到来。
刘裕过了大岘山后，还不见南燕军队出来。刘裕举手指着天空，喜形于色。左右将领问道：“明公还没见到敌人就先高兴起来，这是怎么回事？”刘裕说：“我们的大军已过了天险，士兵都有了必死的决心。再看看田里茂盛的禾苗，我们也再没有军粮匮乏的担忧。贼虏已进入我的掌心之中了。”
六月十二，刘裕抵达东莞。慕容超先派公孙五楼、贺赖卢以及左将军段晖等，带领步骑五万人进驻临朐。听说晋兵过了大岘，慕容超亲自率领步骑四万人前往临朐，让公孙五楼率领骑兵进据巨蔑水。东晋前锋孟龙符和公孙五楼大战，结果公孙五楼大败退走。刘裕用四千乘战车为左右翼，方轨徐徐前进，和南燕军队在临朐南面大战。双方交战了一整天，直打到将近日暮，胜负还是未决。参军胡藩跟刘裕说：“燕兵全数出战，临朐城中的留守一定人数不多。末将愿以奇兵从小路直取该城。这是当年韩信之所以破赵的战术。”刘裕于是派遣胡藩与谘议参军檀韶和建威将军河内人向弥秘密带兵绕到燕兵的背后，去进攻临朐，并扬言说他们是从海上过来的轻骑。向弥全身披挂，身先士卒，首先登上城墙。结果晋兵个个勇不可当，很快攻克了临朐。慕容超大惊，单骑跑到城南的段晖那里。刘裕趁机纵兵奋击，南燕兵众大败。晋军阵斩了段晖等大将十多人。慕容超逃回到广固。晋军获得了他的玉玺和车辇以及豹尾。刘裕乘胜直逼广固。六月十九，晋军攻陷了广固的大城，慕容超收集部众退保到小城。刘裕修筑长围守在外头，围高三丈，堑壕三重。刘裕同时招降纳叛，选拔贤俊人才，齐鲁大地的华人夷人都心悦诚服。于是晋军开始食用当地的粮食储备，完全停止了长江和淮河为军队供粮的漕运。
慕容超派尚书郎张纲到后秦求救，同时赦免了桂林王慕容镇，让他负责尚书事务、都督朝廷内外的军事。慕容超引见了他和其他大臣，向他们道歉说：“朕继承先帝成就的基业，却不能信任贤良，反而刚愎自用。现在覆水难收，后悔莫及！智士逞上谋略，必在事情危急的关头。忠臣建立气节，也都在面临灾难的时候。希望诸君勉励，想出当年陈平那样六道出奇制胜的谋略，共同渡过艰难。”慕容镇说：“百姓之心，系于一人身上。如今陛下亲率六师，奔败而还。群臣离心，军民丧气。听说后秦人自己也有内患，恐怕没精力分兵救人。我们逃回来的散兵游勇还有几万。陛下应当拿出所有的金钱丝帛奖赏他们，然后带着他们决一死战。如果天命助我，就必能破敌。如其不然，战死也是好事。比起闭门坐以待毙，岂不是要好得多吗！”司徒乐浪王慕容惠说：“臣不同意。晋兵现在乘胜，气势百倍。我们以败军之卒抵挡他们，不是很难吗！后秦虽然和刘勃勃相持不下，但刘勃勃毕竟不足为患。况且他们和我们分据中原，势如唇齿，怎么可能不来相救！但不派大臣则不能得到重兵。尚书令韩范一贯被燕人和秦人所看重，应当派他前去乞求援兵。”慕容超觉得有理，于是派遣韩范和长水校尉王蒲一块到姚兴那里求救。
秋七月，东晋加刘裕为青冀二州刺史。
南燕尚书略阳人垣尊和弟弟京兆太守垣苗越过城墙来投降，刘裕任命他们为行参军。垣尊和垣苗都是慕容超的心腹。
有人跟刘裕说：“张纲很巧，如果能得到他，让他设计攻城器具，广固一定可以攻拔。”正好张纲从长安回来，被东晋泰山太守申宣捉获，送来给刘裕。刘裕把张纲放在楼车上，让他绕着城池四周高呼道：“刘勃勃大破后秦军队。没有援军来相救了。”城里士兵听了，无不大惊失色。慕容超大怒，命令埋伏着的弓弩手向张纲射箭，刘裕这才让他退下。
江南每次送援兵或者派使者来广固，刘裕无不暗中派兵在夜里把他们迎来，然后在第二天白天，让他们大张旗鼓地列队而来，造成围兵越来越多的印象。北方的百姓自带兵器和干粮来投奔刘裕的，每天都有上千人。随着慕容超被围在广固的困境加剧，他的大臣张华和封恺也相继被刘裕所获。刘裕便让张华和封恺给慕容超写信，劝他早日投降。慕容超回信给刘裕，请求成为东晋的籓臣，以大岘为边界，并答应献上一千匹好马，以通和好。但刘裕不答应。
后秦王姚兴派使者跟刘裕说：“慕容氏和我们历来互为睦邻。如今晋军攻打得很急，大秦已派遣铁骑十万进驻洛阳。晋军如果不退，我军将会长驱而进。”刘裕把后秦使者呼唤进帐篷，跟他说：“请告诉你的姚兴：我本来打算灭燕之后，息兵三年，然后才进军夺取关中和洛阳。今天你们能自来送死，便请速来！”刘穆之听说有后秦的使者到来，急忙飞马来见刘裕，但后秦使者已经离去。刘裕把他的话告诉刘穆之，刘穆之担忧地说：“平常事情不论大小，明公总要来跟我商量。这事本应从长计议，详细商讨，为何这么快就答复他们！明公跟使者说的这话不足以威慑敌人，却正好足以激怒他们。如果广固尚未攻下，羌寇又突然掩杀过来，将如何是好？”刘裕笑道：“这是兵机，不是爱卿所能理解的，所以没跟你商量。你知道兵贵神速。对方如果真能前来相救，必定害怕我知道，又怎能先派遣信使来讲这些话！自然只是夸大其辞而已。晋师不出，为时已久。羌寇现在见到我们伐齐，内心刚开始惧怕。他们自保不暇，怎么还能来救人？”
同时，逃到北魏的原南燕大臣封融到刘裕那里投降。九月，东晋加刘裕为太尉，刘裕坚决推辞。
当初，姚兴派卫将军姚强率领步骑一万，跟随韩范到洛阳去和东平公姚绍会合，一块去救南燕。但遇上姚兴被胡夏的刘勃勃打败，便急忙把姚强的兵马追回长安。韩范叹道：“天灭大燕！”南燕尚书张俊出使长安回来，知道大势已去，便投降了刘裕，趁机劝刘裕道：“燕人所依仗的，不过是以为韩范一定能带来姚秦的救兵。现在如果能得到韩范，让他们看到他，燕人一定会投降的。”刘裕便上表要求任命韩范为散骑常侍，并写信招降他。
王蒲劝韩范留在后秦，韩范说：“刘裕不过是个布衣出身的平民，却能够灭了桓玄，恢复晋室；如今又兴师伐燕，所向披靡。这是上天的授意，并非人力可以达到的。一旦燕亡，那么秦就是下一个了，我不能再取其辱。”便投降了刘裕。刘裕跟韩范说：“爱卿原想建立申包胥救楚的大功，却怎么空手回来了呢？”韩范答道：“自从我已故的祖父在前燕任司空以来，我们世代承蒙大燕的恩宠，所以我在秦主的宫廷上瘁心泣血，希望能匡救国难。只因为西朝多有变故，我的丹心赤诚也没有效果，可见上天抛弃弊国而赞助明公。智者见机行事，所以我怎敢不归诚明公！”
于是刘裕带着韩范乘车绕着广固城走了一圈。城里的人们看到，群情离散沮丧，再也没了斗志。刘裕跟韩范说：“爱卿应当到城下，向他们告以祸福，好让他们早日投降。”韩范说：“我虽然承蒙明公的特殊宠幸，但却不忍心这样去对付故国。”刘裕嘉许他的诚恳，也就不再勉强。城里有人劝慕容超杀了韩范的家人，慕容超因为韩范的弟弟韩卓尽忠无二，所以将韩范家人都赦免了。
冬十月，段宏从北魏前来投奔刘裕。这年东莱居然下起血雨，广固城门听到鬼在夜哭。
张纲为刘裕建造攻城器具，他将这些器具覆盖上版屋，上头再蒙上兽皮。同时还设计了各种奇巧的东西，让城上的火石弓矢派不上用场。张纲又制作了飞楼、悬梯、木幔之类的器具，遥临城上。慕容超大怒，把张纲的母亲悬挂在城上，然后把她肢解了。
十二月二十二，太白（即金星）侵犯虚宿和危宿。南燕灵台令张光根据天象劝慕容超出降，慕容超一怒之下亲手把他杀了。
公元410年正月初一，南燕君主慕容超登上天门，在城上朝见群臣，杀马犒赏将士，文武官员都得到升迁。次日，慕容超和宠姬魏夫人登上城门，见到晋兵的强盛，握手对泣。韩卓谏道：“陛下遭到这样的厄运，正当努力自强以壮大军民抗敌的斗志，怎么好这样像儿女一般哭泣！”慕容超擦干眼泪向韩卓致歉。尚书令董铣劝慕容超投降，慕容超大怒，将他囚禁起来。
南燕将领贺赖卢和公孙五楼挖地道出击晋兵，但不能打退他们。河间人玄文劝说刘裕道：“当年石赵攻打曹嶷时，看风水的人认为渑水流入城里，广固很难攻拔。但如果堵塞五龙口，断了城里的水源，那么广固必然自陷。石虎采纳了他的建议，而曹嶷果然请降。后来慕容恪包围段龛，也如法炮制，而段龛也投降了。但他投降后不久，堵住的五龙口又被震开了。现在它的旧基还在，明公可以再把它堵塞住。”刘裕采纳了他的建议。城门久闭，城中因为缺水，男女患脚病而虚弱的人过半，出城投降的络绎不绝。慕容超乘着皇辇登城，尚书悦寿劝说他道：“如今天地不仁，助寇为虐。战士凋零，心力交瘁。他们独守穷城，外援绝望，天时人事应当可以知道了。果真历数有终，甚至尧舜也都让位。陛下岂可不考虑考虑变通的办法！转祸为福，圣达以先。陛下应当追寻东汉经学家许慎和郑玄的踪迹，以保全宗庙为重。”慕容超叹道：“废兴的确是命里注定。但我宁可奋剑而死，不能衔璧而生！”
二月初四，刘裕发动全体部众攻城。有人说：“今天是往亡的日子，不利出兵。”刘裕说：“我往彼亡，有什么不利！”于是四面猛攻。悦寿开门接纳晋师，慕容超带着左右数十骑逾城突围出走，但被晋军追上捉获。刘裕数落他不肯投降的罪过，慕容超神色自若，一句话都不说，只是将他的母亲委托刘敬宣照顾而已。刘裕愤恨广固久攻不下，想把城里军民全都活埋了，然后将他们的妻女赏给将士。韩范谏道：“晋室南迁，中原鼎沸，士大夫和平民孤立无援，只好依附强者。既然身为君臣，自然必须为之尽力。他们都是衣冠旧族，先帝的遗民。如今王师吊民伐罪，却把他们都活埋了，让他们往哪里归宿！我私下担心西北的人不再会有复苏的希望了。”刘裕改容向他致歉，感谢他的一番话。然而刘裕到底还是杀了南燕王公以下三千人，抄没家口一万多人充当晋人奴隶。刘裕还将广固城隍夷成平地，把慕容超送往建康处斩。慕容超死时才二十六岁，在位六年。于是南燕正式灭亡。自隆安二年（398）慕容备德在广固建国直到慕容超败死，南燕历时共12年。
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