进攻覆舟山，并命弱兵登山，持着旗帜分道而行，营造四周皆有士兵，数量很多的假象；而又因桓玄守军大多是北府军出身，面对刘裕都没有斗志，刘裕于是与诸军进攻，顺利以火攻击溃桓玄守军，而桓玄亦弃城西逃。刘裕于三月壬戌日（3月31日）获王谧等人推举为使持节、都督扬兖豫青冀幽并八州诸军事、镇军将军，徐州刺史。不久，刘裕奉武陵王司马遵承制总百官行事。刘裕在进建康城后派诸将追击桓玄，终于当年六月诛杀了桓玄，并让在江陵（今湖北江陵）的晋安帝复位。然而，桓氏势力仍在荆州盘据，并反攻江陵，直至义熙元年（405年）才再收