义熙五年（公元409年）四月十一日，刘裕亲率大军北伐南燕，浩浩荡荡从京师建康出发，从淮河入泗水。五月，大军抵达了下邳，刘裕命将士下船，走陆路抵达了琅琊。刘裕步步为营，每经过一处，都要命令修筑防御工事，留下士兵把守。有手下对刘裕说：“慕容氏如果把守大岘山，或坚壁清野，我们恐怕会有来无回。这又当如何？”刘裕微微一笑，说：“这个问题我之前已经考虑的非常清楚了，慕容超没有这个见识，我敢保证。”
慕容超得到刘裕率大军前来的消息，他召集文武百官商议对策，征虏将军公孙五楼说：“刘裕孤军深入，肯定想速战速决。我们严守大岘山（沂山），敌人将寸步难行。然后我们派两千精骑，南下切断他们的粮道，命兖州刺史段晖率军夹击他们，这是上策。收割庄稼，坚壁清野，这是中策。让敌军进入岘山，我们再与他们决一死战，这是下策。”公孙五楼不但马屁拍的好，他对兵书战策也颇有研究，说的头头是道。
慕容超说：“从星象上看，有利我国，而且我们拥有数万铁骑，我们不能先收割庄稼，再躲进城池，让敌人耻笑我们。我们先放他们进入大岘，再派精骑对他们发起冲击，他们多是步兵，我们不愁不胜!”太尉、桂林王慕容镇也劝慕容超不能让刘裕大军过了大岘山，慕容超也拒绝接受。退朝后，慕容镇说了几句牢骚话，慕容超大怒，把慕容镇关进了监牢。
刘裕率大军无障碍的通过了大岘，六月十二日，刘裕大军抵达东莞县，慕容超派公孙五楼、慕容贺赖卢和段晖等人率军五万人驻防临朐，慕容超亲率四万大军增援。晋前锋将军孟龙符和公孙五楼遭遇，两军展开激战，都想首战告捷，但南燕军渐渐不是对手，公孙五楼败退。
刘裕为了对付南燕军的铁骑，他专门发明了一种阵法，后人称为“却月阵”，刘裕出动了四千辆军车，两两相连，护住左右两翼，中间为主力军，然后缓慢前行，车辆打开帷幔，站立的军士都手持长槊，专刺敌军马匹，这种阵法能有效抵御骑兵。双方展开血战，打的难解难分，南燕骑兵发动数次冲锋，都被击退。“却月阵”偏重防守，进攻不足，两军呈胶着状态，从早上打到了中午，难分胜负。
参军胡藩对刘裕说：“燕军倾巢而出，临朐防守力量肯定薄弱，我愿率一支人马去夺临朐。”刘裕同意，他派胡藩和谘议参军檀韶、建成将军向弥率军绕过南燕军主力，向临朐发起了进攻。向弥十分勇猛，他身披铠甲，由军队掩护，第一个登上了城楼，他抽出宝剑，砍倒了几个守城军，守军惊骇，纷纷后撤，其他将士也趁机登上城楼，夺取了临朐。在城中的慕容超惊慌失措，他骑上快马，飞奔出城。刘裕得到捷报，下令全力冲锋，南燕军大败，段晖等十几员大将被斩。
慕容超狼狈逃回广固，他的玉玺、御车等全被晋军缴获。刘裕率军抵达广固城下。六月十九日，晋军攻陷了广固的外城。南燕军死守内城。刘裕命修建了长墙，围困住广固，墙高三丈，又挖了三道地沟。这时候，附近的汉人、夷人纷纷前来投靠。
慕容超派尚书郎张纲向后秦请求派兵支援，他又赦免了桂林王慕容镇，任命他为录尚书、都督中外诸军事。
这时候广固城内人心浮动，南燕尚书垣尊和弟弟、京兆太守垣苗，都是慕容超的心腹，这时候他们也生出二心，跳墙出城，向晋军投降，刘裕任命他们为行参军。
有人告诉刘裕：“张纲是位能工巧匠，应该抓住他，让他制造攻城武器，广固必能攻克。”张纲这时候也从长安回来向慕容超复命，被晋泰山郡太守申宣抓获，带给了刘裕。刘裕逼张纲登上巢车，向城内喊话：“姚兴已经被刘勃勃打得大败，无法派出援兵来解救我们了。”这句话在城内炸开了锅，南燕军士气变得低落。慕容超向刘裕提出，割让大岘山以南的土地给晋，愿意称臣，请求罢兵，刘裕拒绝。
姚兴这时候也正和刘勃勃交锋，而且处于下风，自身难保，他无力援救南燕，但他也派出了使者，见到刘裕，咋呼说：“慕容氏是我们的友好邻邦，今我们已经派出精兵十万驻扎洛阳，希望你们快快撤兵，否则，我们就要直接杀将过来。”刘裕一听，哈哈大笑，他对使者说：“回去告诉姚兴，我灭燕之后，修整三年，再取关中。如果你们今天就过来，我求之不得。”
慕容超又派出和姚兴关系较好的尚书令韩范出使后秦，姚兴刚派出一万部队随韩范救援南燕，走到半路，又给招呼回去了，因为在刘勃勃那里吃了败仗，需要援军。韩范仰天长叹说：“天要亡燕了！”韩范来到晋军的大营，向刘裕投降。这时候，张纲也给刘裕是设计好了攻城的武器，件件精巧，都是攻城利器。慕容超看到这些武器后，暴怒，他命人把张纲的母亲倒挂在城墙上，残忍的肢解了。
慕容贺赖卢和公孙五楼想出了挖地道偷袭晋军，但刘裕也早有防备，燕军被击退。广固城内缺粮严重，大多数人患了软脚病，浑身无力。尚书悦寿劝慕容超说：“现今，天助贼人，我们困守孤城，外无援军，陛下应该想一个变通之计。”慕容超知道他这是让自己出城投降，他长叹说：“兴废，都是命啊，我宁可战斗到死，也不衔璧玉投降。”
义熙六年（公元410年）二月五日，刘裕决定对广固城发动最后一击，他命令全部的兵马，从四面同时攻城。悦寿看到大势已去，他主动打开城门，迎接晋军入城，慕容超没逃多远，被晋军抓获。刘裕训斥慕容超，责问他为什么不早日出城投降，慕容超神色如常，一言不发。
刘裕痛恨广固城顽固抵抗，消耗掉自己大量兵马，他命人拆毁了广固城墙，还准备屠城，但在韩范的劝说下，他又放弃了。刘裕命处死了南燕皇室和公卿等三千多人，没收的家属一万多人。
刘裕命人把慕容超押回建康，在大街上斩首示众，慕容超年二十六岁，共在位六年。
至此，立国共十三年的南燕灭亡。
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