客观来说，刘裕此举实在有些冒险。然而战场征伐，有时偏偏足够大胆才能出奇制胜。所谓不入虎穴焉得虎子，刘裕赌博式的冒险战略居然收到了奇效。北府军到达大岘，果然如刘裕所料，燕军并没有凭险据守。他们不费吹灰之力就越过大岘山，大军略事休整后，直逼临朐城下。
刘裕敢在战略上冒险，在战术上却部署得十分谨慎。稍后，针对燕军骑兵多的特点，刘裕命令将四千辆战车放在大军两翼，以防止敌骑冲突，战车上都张挂布幔，以遮挡敌军的弓矢。同时再以轻骑兵在外围游走，作为步兵的支援。
相比刘裕的充分准备，慕容超的战术显得简单粗暴。燕军闻知晋军已到，便倾巢而出以重甲骑兵猛攻晋军。北府军刘藩（刘裕北府起事二十七将之一，刘毅之弟）、刘道怜（刘裕之弟）、刘敬宣（刘牢之之子）等部合力迎击。北府军以车阻骑的战术布置收到了良好效果，燕军铁骑虽然势大， 却不能冲破北府军的步兵方阵。两军交战半天未分胜负，刘裕看出燕军后方命门所在，命大将檀韶（檀道济之兄）、向弥、胡藩等人率轻骑进攻防守空虚的临朐城。临朐的燕军此时都在城南与晋军大战，城内守军数量少得可怜。檀韶等人一击得手，打破临朐城，拔掉慕容超的牙旗，俘获慕容超所用御马、步辇、玉玺、豹尾等，慕容超遂逃向城外的段晖部。燕军后院起火， 无心恋战，北府军趁势猛攻，遂将燕军击溃， 当场斩杀南燕兖州刺史段晖等十名大将。
慕容超率残部逃回都城广固，北府军尾随追击，将广固团团包围，随后轻易攻克其大城。慕容超退回小城固守。小城坚固而守兵多，北府军一时不易攻下，于是沿城筑起围墙，墙高三丈，又在墙外挖三道堑壕，摆出一副长期围困的架势。
