灭司马元显的势力，掌握朝政。事后桓玄调刘牢之为会稽内史以削其军权，刘牢之图据广陵（今江苏扬州市）叛桓玄，但刘裕认为人心已去，事必不成而拒绝与刘牢之合作，最终刘牢之因失去僚属的支持而自杀。桓脩后以刘裕为其中兵参军，并于同年参与讨伐统领孙恩余党的卢循、徐道覆。当时桓玄诛杀了多名北府旧将，但刘裕仍领兵讨伐卢循部众，更获加任彭城内史。及至桓玄篡位后次年（404年），刘裕跟从桓脩入朝建康，桓玄亦十分赏识他，出游都殷勤接引，赏赐亦甚为丰厚。当时桓玄皇后刘氏就劝桓玄除去刘裕，但桓玄仍图借助刘裕攻略中原，拒绝加害。