慕容超在得知刘裕所部已过大岘山，亲自率领步骑四万至临朐，慕容超派公孙五楼率骑前出，控制临朐城南的巨蔑水，不料行军半途与晋军前锋孟龙符遭遇，公孙五楼战败退走。

在得知孟龙符大胜之后，刘裕当即下令，以战车四千辆分左右翼，兵车在前，骑兵在后，向前推进，与慕容超所派精骑激战，大小十余战，胜负未分。

然而就在激战之后，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。

慕容超逃还都城广固，同时下令朝广固收拢兵马，刘裕乘胜追击北上，攻克广固外城，慕容超又退守内城。

眼看伪燕国都广固防御之强，刘裕不得不下令三军筑围困之，同时又派出人招降纳叛，争取民心。

慕容超被困于广固内城，无奈遣使驰往后秦求援，七月，秦伪主姚兴派卫将军姚强率步骑兵各一万，与洛阳守将姚绍汇合，统兵共救燕军，同时又遣使向刘裕宣称，秦以十万兵屯洛阳，若晋军不还，当长驱而进。

好在刘裕识破姚兴虚张声势，不为所动，不久，让姚兴没有想到的是，胡夏此时居然也出兵略他边境，没有办法只得下令姚强撤回。

慕容超久困于广固，消息闭塞，不见后秦援兵，欲割地、称藩，刘裕收到慕容超的降表没有答应，他这次出军就是为了灭燕，伪燕大臣见刘裕的意图，相继逃出城投降。

九月，刘裕又一次截获前往后秦借兵的伪燕尚书令韩范，挟持韩范绕广固城而行，传扬说后秦救兵不会来了，城内伪燕守军惊恐。

十月，晋军在前伪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。

义熙六年二月初，伪燕贺赖卢、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，伪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亲族三千人泄愤，伪燕主慕容超被刘裕遣人押送回京，在建康街头斩首。

而得知晋军攻入城内的慕容超见大势已去，亲率数十骑突围向北而逃，征虏贼曹乔胥获之，杀其亡命以下，纳口万余，马二千匹，送超京师，斩于建康市。

至此，伪燕灭亡。

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