义熙十三年正月，刘裕留其子刘义隆镇守彭城，自率大军北上。此时北魏派十万重兵驻守河北，并以游骑骚扰晋军。刘裕的军队设奇阵或用大弩强槊击败魏军，是魏军丧魂落胆，但因此行军速度缓慢。四月中旬，刘裕才到达洛阳。七月，刘裕全面击退魏军，河南全境被收复。八月，刘裕至潼关，与诸部会合，商议军事方略，决定王镇恶率水军从黄河入渭水，逼向长安。另一路军沈田子由武关趣青泥，姚泓为缓解两面受敌的危局谋划先消灭沈田子军，再抵御刘裕，于是率步骑数万急趋青泥。沈田子军不过千余人，却骁勇异常，人自为战，数次出击竟使姚泓败还长安。王镇恶突破潼关防线，一举攻陷长安，姚泓率群臣投降，被执送建康斩首。刘裕亲自前往拜谒汉高帝陵，大会文武于未央殿，恢复汉家旧仪。
到此刘裕经营中原的大业基本完成，关中、河南都收入刘裕的囊中。但就在此时，从京中传来一个噩耗，为刘裕留守后方的刘穆之死了！刘穆之是刘裕的腹心将领，听到刘穆之的死讯，刘裕顿时心神无主，无心在长安待下去，做好了返回建康的打算。十二月，刘裕任命自己的儿子桂阳公义真为安西将军、雍州刺史，留下腹心将佐王镇恶、沈田子、傅弘之、毛修之、王修等人辅佐小儿成大业，自己返回建康，以便重掌东晋政权。
刘裕走后，在长安的晋军成了强敌环伺的所在，周围有许多胡人政权，特别是北有虎视眈眈的匈奴夏国主赫连勃勃。不久，关中便发生严重的内乱。沈田子怀疑王镇恶有反心，袭杀王镇恶。之后王修杀沈田子，刘义真复杀王修，使晋军的实力严重削弱。晋军被赫连勃勃的夏军打得大败，刘义真匍匐草莽南逃，关中全部覆没。
关中的得而复失，是历史的一大遗憾。司马光编撰《资治通鉴》时不禁感叹："惜乎！百年之寇，千里之士，得之艰难，失之造次，使丰、鄗之都复输寇手。"
