此战，刘裕善于料敌，利用燕军恃强弃险的失误，乘机攻击，以车制骑，在广固内城攻坚战中，又采取久围待其疲而后攻之的方略，将军事进攻与政治攻心相结合，稳扎稳打，掌握主动，一举获胜。
东晋刘裕鉴于南燕于二月两次入袭东晋北部边境，为进一步提高自己的权威，便于义熙五年(公元409年)三月，上表晋安帝请求兴师击灭南燕。朝中大臣廷议均认为不可，唯有左仆射孟昶、车骑司马谢裕、参军藏熹极力赞成北伐。刘裕决心坚定，并谋划以水军、车兵、步兵、骑兵联合作战，一举击败燕军。南燕在得知东晋大军来攻之前，桂林王太尉慕容镇等极力主张先击北魏，以雪国耻;但南燕主慕容超和征虏将军公孙五楼则主张南下袭晋。当得知东晋大军北攻的消息后，南燕主慕容超召集群臣商讨对策，公孙五楼建议说：“吴兵轻敏果敢，利在速战，不应与其正面交锋，应据守大岘，阻敌深入境内，以拖延时日，沮丧敌之锐气，然后选拔精锐骑兵2000，沿海岸南下，切断敌军粮道，另以段晖率兖州军沿着山路东走，腹背夹击，此为上策;命各地郡守依险固守，坚壁清野，毁掉庄稼，使敌人无粮可取，其大军在外，求战不能，食尽兵疲，旬月之间即可获胜，此为中策。放纵敌人越过大岘，出城迎战，此为下策。”慕容超拒绝采纳公孙五楼上策和中策的建议。他主张放纵敌人越过大岘山，再行歼灭。太尉桂林王慕容镇也劝谏，不宜纵敌入岘，自贻窘逼。阻守大岘，才是上策。慕容超仍不听从。慕容镇退朝后对将军韩谆叹息说，陛下既不同意出大岘迎敌，又不准坚壁清野，放敌深入腹心地区，坐以待围，我们必将国灭身亡。慕容超听到后，大怒，竞将慕容镇下狱。慕容超决心采取收莒城、梁父之军，固守京都广固(今山东淄博东)、纵敌入岘来攻的战略。东晋击灭南燕的作战经过 东晋义熙五年四月十一日，刘裕率军10多万，自建康出发，从水路过长江，自淮水入泗水北进。五月进至下邳(今江苏邳县西南)，留下船舰、辎重，由陆路进至琅邪(今山东临沂北)。所过之地构筑城堡，分兵留守，以防备南燕骑兵的突袭和被切断后路。
琅邪已为燕境，在晋军到达之前，南燕主已将莒城和梁父的守军调走。由琅邪至燕都广固有三条通道：一是沿沂水北上，经东莞(今山东沂水)，越过大岘山(今山东沂水北)，直捣临朐(今山东临朐)、广固，此为捷径，但大岘山险峻，山高70余丈，周围20多里，山上有穆陵关，通道仅能容纳一轨(一辆车的宽度)，称“齐南天险”;二是由东北经过莒城、东武(今山东诸城)入潍水北进，再折向西走，进击广固，此路迂远，耗费时日;三是由西北越泗水经梁父，转向东北逼近广固，此路山路太长，行军运输均很困难。但刘裕却欲从此路进军。此时，部将向刘裕建议说“燕人若塞大岘山之险，或坚壁清野，大军深入，不唯无功，将不能自归。”刘裕则胸有成竹地说：“吾虑之熟矣。鲜卑贪婪，没有深谋远虑。谓我孤军远入，不能持久;不过进据临朐，退守广固，必不能守险清野，敢为诸君保之。”
刘裕率军经过大山见，不见燕军出战，异常高兴。部将询问原因，刘裕说：“我大军已过大岘险关，士有必死的信念，田里到处是庄稼，我已无断粮之忧，敌人已在我掌握之中。”
六月十二日，刘裕军至东莞。此时，慕容超派公孙五楼、辅国将军贺赖卢、左将军段晖率步骑5万，屯于临朐，当听到晋军已越过大岘山，又亲率步骑兵5万增援临朐。临朐在大岘山的西北，为广固南面的屏障，距城西40里有巨蔑水。慕容超遂令公孙五楼进据巨蔑水，但晋军前锋龙骧将军孟龙符也已到达巨蔑水边。于是，双方展开了激烈的争夺战，南燕军被晋军击败退走。晋军占据了巨蔑水后，刘裕以兵车4000乘分为左右两翼，双车并行，继续前进。当晋军进至临朐城南，距城只剩数里，慕容超突然以万余骑兵前后夹击晋军。刘裕急令兖州剌史刘藩、并州刺史刘道怜、咨议参军刘敬宣、陶延寿，参军刘怀玉、慎仲道、索邈等部，奋力迎击，双方战至半日，仍未分胜负。此时，刘裕参军胡藩向刘裕建议说：“燕军全部出动，临朐城中留守兵力必然薄弱，愿以奇兵从间道攻取该城，此韩信所以破赵也。”刘裕欣然应允，立即派胡藩、咨议参军檀韶、建威将军向弥率部暗中出燕军之后，直攻临朐;同时扬言晋后续大军已由海上而来。向弥部首先登城，攻克临朐。慕容超大惊，自城中单骑逃出，奔于城南段晖军。刘裕乘胜猛击燕军，燕军大败，刘裕军斩南燕大将军段晖等10多人。慕容超败回广固，晋军奋力追击，进抵广固城下。六月十九日，晋军攻占了广固外城，收集部众退守保内城。刘裕军筑长围，高3丈，并挖堑3重，以做久困之计。同时，广泛招抚投降的燕军吏，选贤任能，华夷均甚喜悦，并利用齐地的粮食补给军队，停止了从南方的运送，使晋军更加主动。
慕容超被困，形势危急，便赦免了其桂林王慕容镇，并决定派尚书郎张纲向后秦求救。此时，慕容镇向慕容超建议说：“今陛下亲率六师，战败而还，群臣离心，士民丧气。现秦正与大夏交战，恐不暇分兵救人。散卒还者尚有数万，朝廷拿出全部金银财宝赏赐全军，更决一战。若天命助我，必能破敌;如其不然，死亦为美。”司徒乐浪王慕容惠则认为，晋军乘胜，气势百倍，我以败军之卒出击，将难以取胜。秦虽与大夏交战，但不足为虑。且秦“与我分据中原，势如唇齿，安得不来相救!但不遣大臣，则不能得重兵，尚书令韩范为燕、秦所重，宜遣乞师。”慕容超便派韩范前往。
七月，南燕尚书垣尊、京兆太守垣苗越城而出，投降于晋军。随即向刘裕建议说，张纲善制攻城器械，如若擒获张纲，广固必能攻拔。不久，张纲被晋太山太守申宣俘获，送至刘裕军营。刘裕让张纲登上楼车，命张纲向城中喊话，声言“后秦军队已被夏军击败，没有援军到来。”广固城内军民得此消息，深为惊恐，加之，每当江南派使者和援军的到达，刘裕便于夜间秘密派兵迎接，第2天，则大张旗鼓而进，以虚张声势，恫吓燕军，对南燕军起了不小的威慑作用。北方地区的民众每天背负粮食前来归附刘裕军的不下1000多人，燕右仆射张华、中丞封恺均为刘裕所俘。慕容超见大势危急，便向晋请求以割让大岘以南为条件，称臣于晋，遭刘裕拒绝。
后秦主姚兴所派使者至刘裕军营，对刘裕威吓说：“慕容氏相与邻好，今晋攻之急，秦已遣铁骑10万屯洛阳;晋军不还，当长驱而进。”刘裕听后，正告后秦使者说，你回去告诉姚兴，我灭燕之后，休兵3年，即夺取洛阳、关中地区。如若你们愿意现在前来送死，便请速来!刘裕参军刘穆之听到刘裕如此答复后秦使者，深为不解。认为，这非但不能威吓敌人，相反会将其激怒，一旦广固不能攻拔，后秦大军又至，将造成严重后果。刘裕对刘穆之解释说：“兵贵神速，若秦能救燕，必然封锁消息，决不会先派人向我警告。后秦此举，在于虚声恫吓。我军多年未大举北征，秦见我攻燕，必深为震惊，忙于自保，哪有力量援救他人。”情况正如刘裕的判断，此时，正是后秦主姚兴与夏主赫连勃勃大战于贰城之时，无力出大军援救南燕。九月，南燕尚书张俊、韩范不但未从后秦搬来救兵，反而先后降于刘裕军。南燕人素来敬重韩范，刘裕便让他绕城宣示燕人，他已降晋，燕军更加沮丧。
