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。

元兴三年（404年）三月，刘裕进驻石头城，派冠军将军刘毅、辅国将军何无忌、振武将军刘道规率各军追击桓玄。

王谧等人公推刘裕领扬州刺史，刘裕极力推辞，于是由王谧录尚书事，领扬州刺史。而刘裕则被推为使持节、都督扬徐兖豫青冀幽并八州诸军事、领军将军、徐州刺史。

东晋末年，政局混乱，百官放纵，百业废弛，刘裕以身示范，先以威严约束宫廷内外，百官都认真供职，在二三日内，朝廷风气为之大变。

刘裕掌权后，诛杀了反对自己的“江左冠族”、尚书左仆射王愉及其子、荆州刺史王绥（桓氏亲党）。此外，光禄勋丁承之、左卫将军褚粲、游击将军司马秀“役使官人”一事，遭御史中丞王祯之揭发，三人的在给朝廷的谢笺中颇有怨言。刘裕奏报司马遵，认为他们“横兴怨忿，归咎有司”，将其全部免官。

四月，刘裕奉武陵王司马遵为大将军，承制大赦天下，赦免桓玄一族外的所有人。

正在此时，桓玄的儿子桓韶领军攻击历阳，刘裕命辅国将军诸葛长民将其击退。同时，何无忌、刘道规在桑落洲大败桓楚大将郭钤等，进据寻阳。司马遵加授刘裕“督江州诸军事”。

桓玄回到荆州根据地后，重新招募军士，打造楼船、器械，挟晋安帝司马德宗出征，自江陵沿江东下。冠军将军刘毅等在峥嵘洲遭遇桓玄军，双方大战，桓玄大败，抛弃军队，挟持晋安帝逃回江陵。

桓玄抵达江陵后，企图西逃入蜀，被益州督护冯迁斩杀，传首建康。南郡太守王腾之等奉晋安帝入江陵。

桓玄虽死，余党尚存。因为讨伐军的疏忽，桓玄的侄子桓振逃到华容的涌中，重新召集追随者数千人，袭取江陵。安帝重新被桓氏控制。躲藏在沮川的桓谦闻讯，也起兵响应。何无忌等进攻江陵，与桓振在灵溪交战，于杨林遇伏溃败，退回寻阳。与此同时，兖州刺史辛禺、北青州刺史刘该均起兵叛乱，但很快被讨平。元兴三年（404年）十月，刘裕兼领青州刺史，获准带“甲仗百人入殿”。

同年底，刘毅等再度兵临夏口，连克鲁城、偃月垒。十二月，讨伐军收复巴陵。义熙元年（405年）正月，刘毅等收复江陵，驱逐桓氏势力，并迎回晋安帝。至此，桓氏之乱彻底平定。

义熙元年（405年）三月，晋安帝下诏褒奖