牢之还镇京口。隆安四年（400年），孙恩再攻会稽，谢琰战死，刘牢之获进号镇北将军、都督会稽五郡，率兵东征孙恩。孙恩因受诸军进攻而逃回海中，刘牢之于是屯于上虞，又派诸将分驻诸县。隆安五年（401年），孙恩又攻浃口，刘牢之进击，又逼他逃回海中，但不久转攻吴国，杀吴国内史袁山松，随后更循海路一直北进，兵向京口，震动建康。刘牢之闻讯就从会稽郡山阴县截击孙恩，但赶不及，于是派刘裕自海盐县领兵沿着海岸抵抗孙恩。至丹徒，刘裕以少胜多，大败孙恩。孙恩重整后打算进攻建康，但当时建康已严阵以待，刘牢之亦已回到京口，于是北走