刘裕率领水军从建康北上，沿淮河入泗水，进据琅琊。公孙五楼向慕容超建议说：“晋军初来，士气旺盛，不可与之相争。我军应坚守大岘关（今山东沂水北穆陵关）险地，再从海路断绝晋军的粮道，另外派大将段晖率兖州军邀击，使其腹背受敌，此乃上策；坚壁清野，据城固守，此乃中策；放刘裕入大岘关，出城迎战，此乃下策。”
慕容超不接受，只说：“我京都如此殷实，怎可坚壁清野？不如诱敌深入，到平原上用精骑兵冲击他们，必能取胜。”众臣苦谏，慕容超只是不听。
刘裕大军轻易通过天险大岘关，势头再难遏止。慕容超派段晖等以五万步骑兵进据临朐，他又派公孙五楼带兵前往川源，截断晋军水源，却被刘裕的前锋军队抢先一步，大败而回。
刘裕与段晖的南燕军主力相遇于临朐城南，慕容超闻讯，又亲自带上四万步骑兵前去督军。两军激战多时，不分胜负。这时刘裕的参军胡藩向刘裕建议：“燕兵主力都已出城作战，临朐城中必然空虚，我愿自引一支军队抄小道到燕兵身后，拿下临朐。”刘裕对此计十分赞许。胡藩便以奇兵突袭临朐，号称是从海路前来的轻兵，临朐守军大惊，没怎么抵抗就丢了城。
刘裕立即挥师猛攻城外的南燕军军队，燕兵大败，段晖阵亡。慕容超惶恐中逃回广固，晋军乘胜追击，攻破外城，包围了广固内城。刘裕命兵士挖沟三层，筑起高达三丈的围墙，把广固团团困住。
慕容超苦守无援，出击又屡屡失败，只好向刘裕求和，愿意将大岘关以南的土地全部割给东晋，并向东晋称藩。刘裕志在破城灭燕，自然不会同意。
慕容超坚持不降，却挡不住城内守兵士气的日益低落。第二年（公元410年），刘裕全军四面急攻，南燕尚书悦寿开门迎入晋军。慕容超率数十骑突围出逃，被擒后送往建康斩首。刘裕虽没有像拓跋珪那样搞大型活埋，却也将城内的三千鲜卑贵族全部屠杀。慕容鲜卑长达近一个世纪的奋斗故事，在南燕灭亡之后，终于收场了。
十四、末代匈奴
慕容超在被刘裕大军围攻的时候，曾向盟国后秦紧急求救。姚兴本已派出步骑兵前往洛阳，准备与那里的军队合兵一处攻打晋军。然而，他因在与新兴强敌夏国的交锋中失利，不得不把援军追回。
姚兴后期的状况，与其早期相比，称得上糟糕。他在柴壁失败后，意识到拓跋珪的强大，和他重新通好。可是，这一举动又把那个投在他手下、与拓跋珪有杀父深仇的铁弗人刘勃勃惹怒。刘勃勃宣布独立，脱离后秦的管辖。姚兴才刚给自己减少了一个敌人，就又增加了一个敌人，真是“此恨绵绵无绝期”。