公孙五楼战败退走。刘裕以战车四千辆分左右翼，兵、车相间，骑兵在后，向前推进，与慕容超所派精骑激战，胜负未决。
激战之际，刘裕采纳参军胡藩之策，派兵绕至燕军之后，乘虚攻克临朐，又纵兵追击单骑逃脱的慕容超，大败燕军，斩段晖等十余将。
慕容超逃还广固（今山~东~青~州）刘裕乘胜追击北上，攻克广固外城。慕容超退守内城。刘裕筑围困之，招降纳叛，争取民心，并就地取粮养战。
慕容超被困于广固内城，先后遣使驰往后秦求援。
后秦皇帝姚兴派卫将军姚强率步、骑兵一万，与洛阳守将姚绍汇合，统兵共救南燕；并遣使向刘裕宣称，后秦以十万兵屯洛阳，若晋军不还，当长驱而进。
刘裕识破姚兴虚张声势，不为所动。不久，姚兴被胡夏军击败，姚兴遂令姚强撤回。
慕容超久困于广固，不见后秦援兵，欲割地、称藩于东晋，刘裕不允。
南燕大臣相继降晋，刘裕截获意图往后秦借兵的南燕尚书令韩范，挟持韩范绕广固城而行，传扬说后秦救兵不会来了，城内南燕守军惊恐。
晋军在前燕降将张纲的帮助下，制成了飞楼、冲车等攻城器具，加强了攻防能力。
贺赖卢、公孙五楼率军挖地道出击晋军，被击败，退回内城。
刘裕乘机四面攻城，南燕尚书悦寿打开城门迎降，晋军攻入广固内城。
刘裕以广固久守不降为由，入城后，尽杀南燕鲜卑族王公以下三千人以泄愤，慕容超率数十骑突围而走，被晋军追获，慕容超被押送回师，在建康街头斩首，存在十一年的南燕灭亡。
东晋朝廷以刘毅为荆州刺史。
此时，刘毅还割据着豫州、江州，其弟刘藩占据兖州，势力范围包括长江中上游的大部分地区。
而刘毅不服刘裕，表面拥戴，内心却极度妒恨，刘裕虽每每以宽柔随顺，但刘毅越加骄纵跋扈，多次阻扰刘裕推行政令和布置人事；并打算扩充自己势力，伺机打垮刘裕。
他亦得朝中有名望人士归心交结，故此迁镇荆州时就将大部分豫州府属及江州的军队都带去荆州，到任后又重新调度荆州郡县首长，更以患病为由请堂弟刘藩去做他副手。
刘裕知其有异心，于是假意答允其请求，乘同年九月刘藩自兖州治所广陵入朝时就指称他与谢混图谋不轨，便奏报朝廷，将二人赐死。
随后，刘裕亲自率军讨伐刘毅。他命王弘、王镇恶、蒯恩等率兵
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