东晋大军轻而易举地过了大岘山，没有看到南燕的一兵一卒。刘裕举起手来，指着上天，禁不住脸上露出喜色。左右的侍从问：“您没有见到敌人，却先高兴起来，这是为什么？”刘裕笑着回答说：“大军已过险关，军队没有退路可走，因此一定会有拼死作战的决心。尚且田地里还有粮食，我们又没有缺乏粮草的忧虑，敌人已经完全落入了我的手中。”晋军官兵听到刘裕所说的话，个个精神倍增，虽是盛夏，但都放开脚步，走得更快了。在6月12日，刘裕大军已经抵达东莞【山东省莒县】。

慕容超先派遣公孙五楼、慕容贺赖卢以及左将军段晖等人统领步骑兵5万人屯据在临朐。他听说东晋大军已经通过岘山，便亲自率领步骑兵4万人前去迎战，并派公孙五楼率领骑兵开进巨蔑水据守。公孙五楼赶到那里时，已被东晋将领孟龙符抢先一步占据。双方展开了激战，公孙五楼战败，只得退回临朐。

临朐城南，恰好是一片平原。平原上便于骑兵奔驰。鲜卑慕容部落本人是北方游牧民族，善于骑射，所以慕容超倾巢而出，企图以优势铁蹄将东晋军队消灭于此。晋军素以步兵和水战见长，不善于骑射。刘裕便采用了多兵种混合作战的战术，步兵居中，战车四千辆分为左右两翼，成方阵缓缓前进，又以轻骑游动策应。东晋大军到达离临朐数里时，燕军铁蹄从四面八方杀来，一场震撼人心的大决战在空旷的平原上展开。双方从早晨一直战到太阳渐渐西移，只杀得血流成河，尸横遍野，依然未分胜负。东晋参军胡藩想出了妙计，对刘裕说：“南燕国倾巢出动与我们决战，临朐城中的守军一定很少。我愿带领一支部队抄小路去夺取这座城池。这是韩信击败赵国的办法。”刘裕非常赞同胡藩的主张，于是派遣胡藩以及咨议参军檀韶、建成将军向弥秘密率领一支数千人的军队抄小路绕到南燕军的后面进攻临朐城。攻城时号称是东晋轻装部队从海上乘船直接赶来增援的。东晋将领向弥身披铠甲、身先士卒，首先登上城墙，于是攻破此城。在城中的慕容超听说后大吃一惊，连玉玺、乘辇也都丢弃不顾，单人匹马从城中逃出，赶到城南投奔段晖。南燕军队听说东晋派来增援的轻装部队已攻破临朐城，士气大减，东晋将士听说后士气倍增。刘裕乘势催动大军奋力作战，南燕军队大败，段晖等大将十多人及2万多士兵被杀死。慕容超率领部分骑兵逃回了广固,逃散的士兵也快速逃回。刘裕率领大军乘胜追击，来到了广固城下。6月19日，东晋军队便攻克了广固的外城。慕容超将外城的百姓全部迁到内城固守。