義熙十三年（公元417年）在以卻月陣擊敗北魏大軍後，劉裕大軍得以加快行軍速度，到了四月中旬，劉裕進入了洛陽。隨後劉裕開始巡視大軍的城堡工事，並嘉獎毛修之整理修護的功勞，賜給他大量奇珍異寶。為防止北魏軍捲土重來的襲擊，劉裕在洛陽停軍兩個月，部署後方的相關防衛事宜，隨後劉裕就率軍西行。

七月，劉裕大軍進至陝地。此時沈田子、傅弘之率軍也開始行動，向武關進發。面對來犯之敵，後秦守將卻紛紛選擇棄城逃走，沈田子等軍於是順利進屯青泥。姚泓連忙命令給事黃門侍郎姚和都屯駐於嶢柳來抵抗沈田子等人。八月，劉裕大軍進至閿鄉。考慮到沈田子等人原本就是作為一支疑兵參戰的，兵力有限只有千餘人，為使其更好地牽制和吸引後秦軍兵力，劉裕便派沈田子之弟沈林子率軍前往支援。沈林子率一萬多精兵，翻越山嶺開闢通道前往沈田子處。此時沈田子等正準備攻擊嶢柳。後秦方面，面對劉裕率主力而來，姚泓準備親自率軍前去抵抗劉裕，但他又怕沈田子從後襲擊，便決定先行領兵消滅沈田子，然後才全力與劉裕決戰。於是姚泓率步騎兵數萬人，突然來到清泥。毫無疑問，此時的沈田子是處於絕對劣勢的一方，固守待援等到沈林子率軍前來無疑是個較為安全的選擇。面對突然來臨的姚泓大軍，沈田子卻準備反其道而行之，他準備乘姚泓剛剛到達，向其發動攻擊。沈田子這一大膽的計劃，嚇得傅弘之趕忙勸阻，在傅弘之看來敵眾我寡，不應出擊。

但沈田子不這麼認為，他覺得“兵貴用奇，不必在眾。且今眾寡相懸，勢不兩立，若彼結圍既固，則我無所逃矣。不如乘其始至，營陳未立，先薄之，可以有功。”說完沈田子就帶領自己的部隊首先出發，傅弘之作為後繼緊跟。面對數倍於己的後秦軍，沈田子等人很快被重重包圍，面對危局沈田子沒有絲毫畏懼，反而激勵士卒說：“諸君冒險遠來，正求今日之戰，死生一決，封侯之業於此在矣！”手下將士聽後士氣大振，在沈田子的親自率領下，每個人奮勇殺敵。面對殺紅了眼的晉軍，後秦軍很快敗下陣來，萬餘人被殺，姚泓原本想借著優勢兵力吃掉這小股之敵，但卻被這一千人殺得只能逃往灞上。等沈林子的援軍趕到之後，雙方又一同追擊，關中各郡縣不少都暗地裡向晉軍歸降了。

八月辛丑日，劉裕終於到達潼關，隨即任命朱超石為河東太守，讓他和徐猗之去河北會合薛帛，一起進攻戰略要地蒲阪。此前檀道濟也曾率軍進攻蒲阪，但沒能拿下。這一次晉軍又遭受了同樣的結局，後秦平原公姚璞與姚和都擊敗晉軍，斬了徐猗之，朱超石逃回潼關。與此同時姚贊派司馬休之和司馬國璠從軹關前往河內，引領北魏軍前來攻擊劉裕的後方。前有敵人固守城池，後有追兵將至，稍有不慎，劉裕大軍可能就有麻煩。

劉裕趕忙召集諸將商討進取之計，這時王鎮惡站了出來，他請求帶領水軍從黃河入渭水，直逼長安，劉裕同意了他的策略。於是王鎮惡率領水軍從黃河進入渭水，面對王鎮惡的攻勢，駐定城的姚贊和屯於香城的恢武將軍姚難，準備帶領部隊向西撤退。適逢連日大雨，河水暴漲，姚贊等人無法過河。王鎮惡於是水陸兼程推進，追趕上姚難部。得知姚難遭遇王鎮惡的進攻，姚泓這邊也從灞上引兵回屯石橋，準備接應姚難，並派鎮北將軍姚強率軍前去支援，姚強與姚難在涇上匯合，他們準備一起抵抗王鎮惡。王鎮惡這邊派出毛德祖發起進攻，大敗後秦軍，姚強戰死，姚難則逃往長安。

姚贊得知晉軍迫近長安，便率軍由定城退往鄭城。劉裕大軍隨之逼近。戰事發展到這個地步，姚泓只能做最後一搏，姚泓急令姚贊守灞東，將軍姚丕守長安城北之渭橋，輔國將軍胡翼度守城東北之石積，姚泓自己守城西逍遙園。王鎮惡的水軍也在此時逐步逼近。王鎮惡率水軍在渭水中逆流而上，乘坐蒙衝小艦，划槳計程車卒都在船內。後秦的人們看到戰艦在行進卻沒有看到划船的人，都以為這是神仙下凡。八月壬戌日一早，王鎮惡軍到達渭橋，讓手下將士吃飽喝足以後，全部手持兵器棄船登岸，王鎮惡甚至規定，如果有人沒及時上岸就斬首。當時渭水水流湍急，眨眼之間，晉軍的船艦都隨流而去，也就是說王鎮惡等人此時已無退路，而當時姚泓在長安城還有幾萬人。

當晉軍將士為此面面相覷之時，王鎮惡卻激勵他們道：“卿位將士的家都在江南，這裡是長安城北門外，離家相去萬里，而船隊所載的衣物錢糧，都一起被逐流沖走了，難道還有求生的計策！唯有死戰，可以立下大功，不然我們都會死在這裡。”說完王鎮惡身先士卒，衝在最前面，眾人也知道沒有退路，無不奮勇爭先。駐守渭橋的後秦姚丕軍一觸即潰，大敗而逃。姚泓得知訊息，趕忙率軍去救，但因為臨近水邊，地方又狹隘，半路又遇上姚丕敗退下來的軍隊，結果場面混亂不堪，後秦軍自相踐踏，死傷慘重不戰而潰。姚諶、前軍將軍姚烈、左衛將軍姚寶安、散騎王帛、建武將軍姚進、揚威將軍姚蠔、尚書右丞孫玄等都戰死在陣中，姚泓於是又和姚裕等帶著數百騎兵出宮逃到石橋。

姚贊得知姚泓失敗的訊息後，準備召集將士前去救援。而後秦另一員將領胡翼度則乾脆拋下部眾投奔劉裕缺了。姚贊在夜晚率領各部，打算去石橋和姚泓會合，但此時晉軍已經控制了各個城門，姚讚的部眾無法進入，很快就亂作一團各自散去。至此姚泓已經完全無計可施，只得準備向劉裕投降。但十一歲的兒子姚佛念，卻對他說：“晉人將逞其欲，雖降必不免，不如引決。”姚泓早已不知所措沒有回答。姚佛念於是登上宮牆投地而死。八月癸亥日，姚泓攜妻子兒女、文武百官前往王鎮惡的大營投降，王鎮惡將他們交給部下關押，後秦自此滅亡。此時，長安城中的漢人和夷人共有六萬多戶，王鎮惡宣揚東晉的恩德，加以安撫，號令嚴明，百姓很快平靜下來。

九月，劉裕抵達長安。隨著長安淪陷，姚泓投降，姚璞和尹昭也獻出蒲阪投降，姚贊率領皇室一百多人前往劉裕大營投降。劉裕保持一貫殺俘虜的傳統，把他們全部殺死，然後把姚泓送到建康，綁赴刑場斬首。自從西晉建興四年（公元316年）十一月長安淪陷後，晉朝終於收復了長安，劉裕的功績已是無人能比。此時的劉裕已然是來到了人生巔峰。