三月，刘裕上奏章请求讨伐南燕，朝廷商议都认为不可行，只有左仆射孟昶、车骑司马谢裕、参军臧熹认为一定胜利，劝导刘裕出征。夏季四月己巳日，刘裕从建康出发，率领船队从淮河进入泗水。五月，到达下邳，把船只、军用物资留下，步行前进到琅邪郡，所经过的地方修筑城池，留下士兵防守。刘裕顺利通过了大岘山，没有见到南燕兵出现，刘裕举手指着天空，脸上露出喜悦的笑容。
左右的侍从问道：“您没有见到敌军先高兴起来，这是为什么呢？”刘裕说：“军队已经通过险关，士兵们怀有必死的决心；余粮保存在田地里，我们没有缺乏军粮的后顾之忧。敌人已经掌握在我手中了。”六月已已日，刘裕到达东莞。慕容超先派公孙五楼、左将军段晖等人率领步兵。骑兵五万人屯驻临朐，听到东晋军队已经通过了大岘山，慕容超亲自率领步兵、骑兵四万人前往，同时派公孙五楼率领骑兵进据巨蔑水。东晋前锋孟龙符与公孙五楼大战，大破公孙五楼，公孙五楼兵败逃走。刘裕以四千乘战车为左右翼，排阵并行，缓慢前进。与南燕兵大战于临朐之南，太阳偏西时分，还没有分出胜负。
刘裕派遣胡藩以及建威将军河内人向弥秘密出兵包抄燕军后部，进攻临朐，对外宣称是从海道前来增援的轻装部队到达了。向弥穿着盔甲首先登城，于是攻破临朐城。慕容超大惊失色，单枪匹马逃跑到城南段晖军中。于是，刘裕挥发起进攻，南燕军大败，慕容超逃回广固，东晋缴获了南燕国的玉玺、皇辇以及豹尾。刘裕乘胜追击燕军到达广固，丙子日，攻克了广固外城。慕容超聚集残军退守内城。刘裕修筑了长长的围墙防守。同时招抚投降和归附者，提拔和任用贤才俊杰，华夷百姓都非常高兴。刘裕凭借着齐地粮食保证了军粮的充足，于是把长江、淮河的漕运全部停止。二月，南燕大臣贺赖卢，公孙五楼挖通地道，从地道中出去攻击东晋军，但是没有打退。二月丁亥日，刘裕率领全军攻城，有人说：“今天是往亡日，不利于出兵打仗。”刘裕听后改变神色并道歉。把慕容超送到东晋都城建康处死。
《刘裕灭南燕》原文节选：三月，刘裕抗表伐南燕，朝议皆以为不可，惟左仆射孟昶、车骑司马谢裕、参军臧熹以为必克，劝裕行。夏四月已巳，刘裕发建康，帅舟师自淮入泗。五月，至下邳，留船舰、辎重，步进至琅邪，所过皆筑城，留兵守之。刘裕过大岘，燕兵不出，裕举手指天，喜形于色。左右曰：“公未见敌而先喜，何也？”裕曰：“兵已过险，士有必死之志；余粮栖亩，人无匮乏之忧。虏已入吾掌中矣。”六月己已，裕至东莞。
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