之后，刘裕洗心革面，投身北府军，由于表现出色，很快就成为冠军将军孙无终的司马。399年，孙恩在江东起兵，反抗东晋朝廷。北府军名将刘牢之率军前往镇压，当时刘裕出任参军。在与孙恩起义军交战过程中，刘裕在手下死伤大半的情况下，"手奋长刀，所杀伤甚众"，在友军的支持下，大破孙恩。
刘裕作战勇敢，每次交战都冲在前面，而且所部军纪严明，因此深得百姓的拥护，他本人也逐渐成为北府军中的一员名将。可是，404年，桓玄废掉东晋皇帝，自立为帝。刘裕闻讯后，与七十二人歃血为盟结盟，然后召集百余人起事。之后经过了一番血战，刘裕终于攻入建康，重新拥立东晋皇帝。
