东晋大军轻而易举地过了大岘山，没有看到南燕的一兵一卒。刘裕举起手来，指着上天，禁不住脸上露出喜色。左右的侍从问：“您没有见到敌人，却先高兴起来，这是为什么？”刘裕笑着回答说：“大军已过险关，军队没有退路可走，因此一定会有拼死作战的决心。尚且田地里还有粮食，我们又没有缺乏粮草的忧虑，敌人已经完全落入了我的手中。”晋军官兵听到刘裕所说的话，个个精神倍增，虽是盛夏，但都放开脚步，走得更快了。在6月12日，刘裕大军已经抵达东莞【山东省莒县】。
慕容超先派遣公孙五楼、慕容贺赖卢以及左将军段晖等人统领步骑兵5万人屯据在临朐。他听说东晋大军已经通过岘山，便亲自率领步骑兵4万人前去迎战，并派公孙五楼率领骑兵开进巨蔑水据守。公孙五楼赶到那里时，已被东晋将领孟龙符抢先一步占据。双方展开了激战，公孙五楼战败，只得退回临朐。
临朐城南，恰好是一片平原。平原上便于骑兵奔驰。鲜卑慕容部落本人是北方游牧民族，善于骑射，所以慕容超倾巢而出，企图以优势铁蹄将东晋军队消灭于此。晋军素以步兵和水战见长，不善于骑射。刘裕便采用了多兵种混合作战的战术，步兵居中，战车四千辆分为左右两翼，成方阵缓缓前进，又以轻骑游动策应。东晋大军到达离临朐数里时，燕军铁蹄从四面八方杀来，一场震撼人心的大决战在空旷的平原上展开。双方从早晨一直战到太阳渐渐西移，只杀得血流成河，尸横遍野，依然未分胜负。东晋参军胡藩想出了妙计，对刘裕说：“南燕国倾巢出动与我们决战，临朐城中的守军一定很少。我愿带领一支部队抄小路去夺取这座城池。这是韩信击败赵国的办法。”刘裕非常赞同胡藩的主张，于是派遣胡藩以及咨议参军檀韶、建成将军向弥秘密率领一支数千人的军队抄小路绕到南燕军的后面进攻临朐城。攻城时号称是东晋轻装部队从海上乘船直接赶来增援的。东晋将领向弥身披铠甲、身先士卒，首先登上城墙，于是攻破此城。在城中的慕容超听说后大吃一惊，连玉玺、乘辇也都丢弃不顾，单人匹马从城中逃出，赶到城南投奔段晖。南燕军队听说东晋派来增援的轻装部队已攻破临朐城，士气大减，东晋将士听说后士气倍增。刘裕乘势催动大军奋力作战，南燕军队大败，段晖等大将十多人及2万多士兵被杀死。慕容超率领部分骑兵逃回了广固,逃散的士兵也快速逃回。刘裕率领大军乘胜追击，来到了广固城下。6月19日，东晋军队便攻克了广固的外城。慕容超将外城的百姓全部迁到内城固守。
刘裕看到广固内城十分坚固，难以快速攻破，便让士兵筑土围城，围高三丈，又掘挖三道壕沟，将广固城团团围住，好言抚慰接纳投降归附的人士，选择提拔贤才俊杰，不管是汉人还是夷人都很高兴。东晋军队因夺取了南燕各地储存的粮草，便把从长江、淮河水路运输粮草的工作全部停止，可以与南燕军队打持久战了。
慕容超见形势危急，趁晋军还未将广固城彻底包围之时，急忙派尚书郎张纲赶奔长安向后秦请求救兵；又把慕容镇从监狱中放了出来，任命他为录尚书、都督中外诸军事。慕容超还把慕容镇召到皇宫并道歉，问他有什么好办法可以退敌。慕容镇说：“士兵的心事、希望全部维系在您一人身上。现在陛下亲自指挥大军前去迎战，结果是战败逃回，不但大臣们的心思难以统一，而且士兵们也都丧失了胆气。我听说秦国自己也正在内忧外患，恐怕没有精力出兵解救咱们。现在我们逃散的士兵回来的还有好几万，应该把库中的金银布匹等全部拿出来鼓励他们，让他们出城再去决一死战。如果上天帮助我们，那么这次就能击败敌人；如果不能，那么死了也是一件美事。这与关起城门等死要强的多。在一旁的司徒、乐浪王慕容惠不赞同慕容镇的主张，急忙说:“你说的不对。晋军乘胜而来，气势旺盛，比原来还要超出百倍。我们刚刚惨败的士兵抵挡他们，好比以卵击石。秦国虽然与刘勃勃相互僵持，争斗不休，但也不足以把这当成祸患。况且他们和我们分别占据着中原，彼此依傍，好比唇齿一样，怎么能够不来救助我们呢？但是，不派出官职重要的大臣，就请不来更多的援兵。尚书令韩范与秦国皇帝姚兴关系甚好，应该派他去请求援军。”慕容超听从了司徒慕容惠的建议，趁着晋军还未将广固城彻底包围，派尚书令韩范前往后秦国请求援兵。
7月初，南燕国尚书恒尊和他的弟弟京兆太守恒苗跳出城墙向东晋军队投降。刘裕任命他俩为行军参军。恒尊、恒苗都是慕容超平日里最喜爱重用、视为心腹的人。他俩的背叛可以看出慕容超在用人方面的昏庸。
恒尊、恒苗二人对刘裕说：“尚书张纲心灵手巧，他出使秦国回来时，如果把他抓到，让他制作攻城器具，广固城定能攻破。”正好张纲从长安回来，泰山太守申宣把他抓住，送给刘裕。刘裕让张纲登上很高的楼车，命令他绕城对着城内高喊：“刘勃勃把秦军打得大败，所以别指望秦国派兵来救你们了。”城中将士听到这话后都大惊失色。东晋每当派使者前来慰问，刘裕都暗自派兵前一天夜里迎侯，第2天再打着打旗、敲着锣鼓到来。广固城内的将士误认为东晋又派来援兵、更加恐慌。南燕各地的百姓拿着武器、背着粮食归降刘裕的，每天都有一千多人。晋军对广固的围攻更加猛烈。南燕重臣张华、封恺都先后被刘裕俘虏。刘裕让他们二人休书一封，劝慕容超及早投降，免得玉石俱焚。慕容超回书信，请求割让大岘山以南的地区讲和，并愿做东晋的藩臣。刘裕没有答应。
有一天，刘裕的士兵跑进帐内报告说：“秦国的使者来到。”刘裕说：“带他进来见我。”秦国使者进账后态度傲慢威胁刘裕说：“慕容氏与我们是友好邻邦。现在你们这样急迫地进攻他们，我们秦国已派遣10万精锐强壮的骑兵驻扎在洛阳。你的部队如果不撤，我们就要长驱进军了。”刘裕一阵冷笑，把后秦的使者叫到跟前说道：“回去告诉你们主子姚兴，我吞灭燕国以后，停止三年军事行动，然后就要去夺取你们的洛阳、关中。今天你们若是自己送上门来，那就快点来吧。”随后对左右侍从说：“来呀，送客！”这位使者讨了个没趣，灰溜溜地走了。刘裕的心腹高参刘穆之听说后秦使者来到，便骑着快马跑来拜见刘裕，但晚了一步，后秦使者已经走了。刘裕把自己说的话告诉了刘穆之。刘穆之埋怨刘裕说：“平日里事情无论大小，都一定找我商量。这件事太重要，应该好好考虑一下再决定，为什么就这样冒然地答复他呢？你说得这话不但不足以把敌人威慑住，相反却足以激怒敌人。如果广固没有攻下，而那些羌族强盗又突然到来，不知您怎样对付他们？”刘裕笑着说：“这是用兵之道，不是你所能明白的，所以才不告诉你。大凡用兵，贵在神速。他们如果真的能赶来救援的话，一定是害怕我们知道，哪里还能事先派人先来通知我，说下这番话呢？这是他们的大话。晋军不出国征战已经很久了，羌人看见我们大举讨伐三齐之地，心中已经开始畏惧。他们保全自己还来不及，怎么还能援助别人呢？”一席话把刘穆之说的心悦诚服，自愧不如刘裕高明。
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