。义熙十三年（417年）九月，刘裕灭后秦，佔领关中，并打算以关中作基地继续进行北伐。但刘穆之于十一月辛未日（11月27日）去世，享年五十八岁。刘裕闻讯后感到震惊和悲痛，亦感到自己于京邑根本之地已空虚无靠，于是决意起行返回建康，留年仅十一岁的刘义真与王镇恶等诸将留守关中。而因朝廷大事向来倚重刘穆之，其死后朝廷亦大为恐惧，刘裕以徐羡之代管留任之事，但平时由刘穆之决定的大事都需要向刘裕请示。朝廷追赠散骑常侍、衞将军、开府仪同三司。后刘裕又上书皇帝称颂刘穆之，于是改赠侍中、司徒，追封南昌县侯。永初元年（42