314年4月初1，桓温发起第三次北伐，攻打鲜卑慕容氏建立的前燕政权，携徐兖刺史郗愔与豫州刺史袁真同行。主要是为了解决正在扩张的前燕屡次入侵河南的问题，以及为自己立威，为之后取晋自立称帝做准备。
这一时期的桓温已经掌控了东晋朝局，大权在握，仅未能掌握徐、兖二州所在的京口及豫州等兵力，此次北伐的另一个目的，自然也就是拿下这一帝国东北地区的军事控制权。
郗愔为郗家主事，掌握其父郗鉴留下的京口兵资源，即北府兵前身。桓温欲夺其兵权，邀其北伐。郗愔愿率军出征，但坚持亲自指挥徐兖兵力。
家贼难防，郗愔未料儿子郗超胆大包天，篡改文书。郗超仿周瑜，为取悦上司，出卖家族。他撕毁父亲文书，以郗家名义上书朝廷，称父亲年迈自知，愿将军权交桓温托管。
桓温见状不客气，即刻调走郗愔，接管了郗愔所统军队。
他巧对世家大族，如谢、郗、王等，从二代弟子入手，借其影响家族长辈。逻辑是：你帮我家族，我助你上位。
桓温自姑孰起兵，统领步骑五万，正式开启北伐之旅。
前燕大臣申雍看出了本质：桓温，看起来气势很盛，但其实不会有什么作为！桓温专制于朝，朝臣必与他不同心，都不希望他成功！
正因如此，桓温选择的战略，既不敢冒险，采取郗超提出的上策，也不敢耗时太久，采取下策。只能采取自以为稳稳当当，水路为主的进军方式，成则“坐取全胜”，败则“全师而退”。
解释不能步兵陆路北伐原因：步兵陆路消耗大，粮食损耗极高，非富贵人家能承担；且北境以骑兵为主，易抄截粮道，以战养战，步兵应对缓慢，难有坚壁清野之机。
总而言之，水路北伐为东晋最优选，经济安全，且免骑兵突袭致溃。
南方入中原水系众多，大水路四季畅通，小支流仅春夏可行大船。桓温经中渎水道入淮河后，可选汴、睢、颍水北上黄河，但这些河被石门水口截流，水位不符行军需求。
桓温北伐前，派豫州刺史袁真率豫州军自寿春沿涡河北上，攻取谯郡、梁国燕军，再北上荥阳疏浚石门水口，恢复水系。此任务成桓温北伐关键，也预示袁真必遭桓温清除。
桓温派袁真抢石门水口后，自走东线，从泗水北进。
荀羡自引导汶水开凿渠道，引水至东阿进行征战，并在战场上亲自斩杀敌将兰，行动果决有力。
桓温北伐路线为：沿泗水北上，经荀羡新航道入济水，于四渎口入黄河，再西进。此水路不受石门水口控制，桓温未将生命线交予异心的袁真，足见其心思缜密。
然而计划赶不上变化，桓温精心策划的战线看似万无一失，6月攻占湖陆县、俘虏前燕宁东将军慕容忠后，却发现入夏以来滴雨未降，洸水与泗水已无法通行。
桓温无奈，改道荷水。荷水源于春秋，可通济水，经巨野泽至四渎口入黄河。然其源头同石门水口，水量不稳，故桓温初时未抱厚望。
改道荷水后，桓温行至金乡，却发现荷水亦无法前行，真可谓雪上加霜。
7月，辛丑日，温抵达金乡，时遇大旱，水道干涸中断。他决定自巨野泽掘新渠通泗济，后世称“桓公渎”。
随后，前燕发起首波反击，下邳王慕容历领兵二万于黄墟对抗桓温，却惨败，仅慕容历逃回邺城，高平太守徐翻率全郡投降桓温。
随后，前燕复遣乐安王慕容臧率兵御桓温，又败。五万大军，浩浩荡荡，进击前燕。一路之上，攻城拔寨，锐不可当，接连击败妄图阻止桓温前进的燕军。
无奈之下，前燕遣散骑侍郎乐嵩赴前秦求援，并以虎牢以西之地为盟约之酬。
前秦视前燕为囊中之物，岂容桓温轻易夺取。加之此时乃入侵前燕之良机，遂于8月遣邓羌等领兵二万，前往救援前燕。
原想单挑却变群殴，桓温面临不利战局。作为老将，他立即加强攻势求速胜。恰逢前燕兖州刺史孙元起兵响应，桓温借此击退前燕黄河以南所有势力。
9月初1，桓温部将邓遐、朱序于林渚二次击败傅末波。9月11日，桓温抵枋头，距邺城不足百里，预示着著名的“枋头之战”即将爆发。
此时，前燕士兵惊恐欲逃，欲返东北。长期受抑的慕容垂遂请缨出战，统率范阳王慕容德等五万兵马，前往抵挡桓温。
但是，占据枋头后，时间悄悄地由夏季转入秋季。到了9月份后，出现了一件令桓温始料不及的糟心事。为大军输送后勤补给的水上通道，随着水源的减少先是变浅，继而断流。
航道不通了，东晋朝廷的粮秣等就无法运送到前线。没有了补给，将士们吃不上、喝不上，仗还怎么打？
深秋之际，慕容垂掌兵即遣慕容德率万骑、刘当率五千骑守石门，阻晋军；又令豫州刺史李邦率五千州兵断桓温粮道。慕容垂老辣，初战即直击桓温要害。
桓温东线作战虽顺，但西线袁真半年未克石门水口，反遭前燕铁骑断粮。此外，前秦两万援军将至，天时、粮草、兵力等皆对桓温愈发不利。
桓温欲撤军，却遭前燕截断归路。改道需放石门水，然水路已不通。若武力开路，则粮草不济，将腹背受敌。桓温面临困境，苦思对策。
这种情况下，只能拔营起寨，赶快离去。
9月19日，桓温深刻反思后，决定焚毁全部舟舰，采取步行方式向南撤退。
如果遇到一般的对手，此次北伐，确实可能进退自如。