在晋国举行国丧，换皇帝的时候，燕国乘机占领了河南，晋国再次失去了洛阳。
又过了几年，也就是公元369年，这时候的秦国在苻坚和王猛的治理下，越来越强大。苻坚认为自己的国力已经超过了燕国，所以打算攻打燕国。
正在苻坚准备大举伐燕的时候，秦国的苻柳、苻廋、苻武和苻双准备谋反，拥立苻柳为帝。苻坚只好暂停伐燕，处理内乱。
在王猛的帮助下，苻坚解决了内乱，但是桓温的密探知道了秦国的内乱，又上表朝廷，要求再三北伐，说秦国内乱，正是攻打燕国的最佳时机。司马奕不敢决绝，只好同意桓温第三次北伐。
桓温其实是想在这次北伐之后再次建立大功，之后登上皇帝宝座，虽然算命的说他做不了皇帝。谢安早就看出了桓温的想法，所以不仅不支持桓温的北伐，而且暗地里做了一些工作，耽搁了北伐的进度。
这一年五月，桓温带领六万大军，向北行进。桓温的大军到达兖州，部下郗超说道：“大将军，前面就是汴水了，因战乱没有修复，我们不如绕道吧。”
桓温说道：“行军又不是去旅游，只有向前走，哪有绕道的道理，绕来绕去不知道什么时候才能到达金乡。传令下去，暂时停止行军，三日之内开凿好水路。”
毛穆之三日之内成功开凿好河道，桓温的大军顺利进入黄河，桓温对毛穆之说道：“如果北伐胜利，你的功劳不小。”
郗超又进言说道：“我们进入黄河是逆水，距离晋国较远，难通漕运，万一燕国据守不战，我们不就陷入缺粮的困境了吗？”
桓温知道缺粮是自己北伐的主要制约因素，前两次就是因为这个吃了大亏，所以这次北伐时候已经带了很多粮食，但是粮食问题依然是个大问题。
桓温说道：“那你想到对策了吗？”
郗超说道：“我们应当尽率全军直击燕国都城邺城，不论前燕逃回辽东后方、拒守邺城或者全军出战与我们决一死战我们都是胜利在握。”
桓温担心地说道：“这个计策太急，带兵直接攻打邺城，孤军深入，兵法大忌，万一失败，我们就会死无葬身之地。”
郗超：“如果将军要一个较为稳健的策略也有，就是我们守着河道，控制住漕运，一直运粮，储蓄粮食，直至明年夏天再继续进攻。只是如果不速战速决的话，拖延至秋冬之后，水量减少况且北方降温，我们的士兵很难适应，水土不服，将士生病，战斗力就会大幅度衰落，我们就很难取胜了。”
桓温说道：“不用太急，也不用那么缓，我们只需要正常行军就行了。”
第一战是檀玄在湖陆和慕容忠打的，首战大捷，俘虏了慕容忠，桓温大喜。之后，桓温亲自带军与燕国派来的慕容厉的两万步兵展开激战，取得胜利，士气高涨。之后，邓遐、朱序又在林渚击败燕将傅颜，燕国的高平太守徐翻还没有开战就投降了。前燕于是再派慕容臧率诸军抵抗桓温，但都被打败。前燕朝野震惊，只好派人向前秦求救。
这一年的七月，桓温的大军到达武阳县，燕国的兖州刺史孙元开城投降，桓温遂又进兵离邺城不到二百里的枋头，占领枋头后，晋军两天之内就能到达邺城。
燕国皇帝诚惶诚恐，准备逃离到故都和龙。
这时，吴王慕容垂说道：“现在邺城还有十万人马，晋军不过五六万，为什么要逃呢？现在逃了不就等于认输了吗，逃走之后晋军早晚要追到我们的，如果背水一战肯定会胜利，这可是祖宗给我们留下的城池，我们不能轻易丢下啊。”
太傅慕容评说道：“晋军势如破竹，我们根本打不过他们，还是早点逃跑吧，你不要命我们还要呢，不要因为你而连累大家啊。”
吴王慕容垂坚持要战，太傅慕容评坚持要逃，燕国的小皇帝决定不了，在殿上急得直哭。
这时大臣皇甫真道：“前大司马慕容恪临终的时候说，如果国事紧急，一定要重用吴王，陛下您忘记了么？”
于是皇帝听了慕容垂的话，让慕容垂带兵抵抗晋兵。
这时候，燕国派去求救的使者已经到达了秦国，苻坚向王猛问计，王猛说道：“如果晋国灭了燕国后晋国的实力大增，对我们秦国不利，燕国既然愿意割地，我们就派一部分兵力去救燕国，如果燕国败了晋国也会大伤元气，我们乘机攻打晋国，如果燕国胜利了，我们和燕国联合灭掉晋国，之后再灭燕国，这样大事可成。”
苻坚点头应允，于是便派苟池、邓羌两位将军率五万军马去救燕国。
这时，晋朝的朝廷都以为桓温要灭掉燕国，皇帝开始担心起自己的宝座。谢安知道了前线的情形在私下里说道：“桓温这个人孤傲不可一世，不听部下的劝谏，又不敢出险兵。燕国等待桓温的军队深入，有了机会，就会反攻，桓温把自己的军队安置在重要关口，进退都很难，却想着长期停留，等待敌军变动，这样看来桓温必败。”
慕容垂进兵到枋头，知道秦国来救，并不与桓温军交战。他先密派慕容德和刘当以两万重兵紧守石门，断去晋军漕运的水源，又派豫州刺史李邽守皋陵陆道，断去晋军可能会从陆路运粮的通道，再派尚书郎悉罗腾和虎贲中郎将染干津带一万铁骑，到达各郡县带领百姓抢收附近粮食，并阻止晋军就地收粮。安排妥当之后，慕容垂紧闭营垒，只守不攻。
桓温多次派兵向慕容垂的营寨进攻，慕容垂就是不应战，桓军无可奈何，双方在枋头形成了胶着状态。
这一天，桓温接到家里的书信，信上说马夫人产下一子，儿子出生时室中光芒照射，占卜的人说他是奇人，体重达到十斤多，由于体重过大，夫人难产，但是最后母子平安，夫人让桓温起名。
这时候是七月的下旬，桓温接到书信的时候已经是深夜。
桓温走出营帐，抬头向天空望了望，看到一轮明月高挂在天空，恰恰是下玄月，桓温说道：“老年得子，世事变幻，离不开一个玄字，就叫桓玄吧。”
八月，秦国派去的救兵已经到达燕国，与燕军会合，但是慕容垂依然坚守不战。
到了九月，由于石门断了水，清河的水位开始下降，这样很不利于晋军的漕运，桓温急忙派袁真率一万兵力进攻石门，准备打开水源。
慕容德在石门附近设下了一支伏兵，打败了袁真。
桓温听说袁真败了，又派邓遐去皋陵打通陆道，同时派段思带兵就近筹集粮食。
结果，邓遐攻了好几日也没有打通陆道，收粮的段思也被燕军杀死。
桓温这时候决定与燕国的军队决一死战，于是向慕容垂的阵营发起猛烈的攻击。慕容垂坚守阵地，没有失去一寸城池，同时要求秦军抄晋军的后路。
桓温粮草不继，后路又遭袭，前后都是兵败的消息，桓温叹了一声“大势已去。”之后只好下令退兵。
这个时候因为河水太浅不能行船，桓温便下令大军把船烧掉，带军后撤。
部下劝慕容垂乘胜追击，慕容垂认为桓温用兵谨慎必然提高警觉，严加防备并以精锐殿后，所以只带领几千骑兵从后缓缓跟随。桓温果然如慕容垂所料，将精兵留在最后防备，桓温看到燕国没有大量的燕军，以为敌军不会来了，所以警惕性下降，急速退军。这个时候，慕容垂派十万大军向桓温追去同时通知秦军从另一面埋伏。结果晋军两面受敌，死去四万多人，逃亡和伤亡的不计其数，终于带着几千伤兵逃回晋国。
燕国的慕容垂打败桓温，威名大震。太傅慕容评更加嫉妒慕容垂，向皇帝进谗言，结果立下大功的慕容垂并没有得到皇帝的封赏。
慕容垂虽然没有得到封赏，但是由于名声大震，在朝廷上还是很有威信，皇帝不忍降职，所以慕容评想办法陷害慕容垂。
由于皇帝和慕容评的猜忌，慕容垂不愿意造反也不想死，只好带着妻子和儿女投降到前秦。秦王苻坚听说慕容垂来投靠自己，喜出望外，亲自出城迎接。
王猛见到慕容垂之后，知道慕容垂一定不是平常的人，于是对苻坚说道：“慕容垂不是可驯之物，将来一定是我们秦国的大患，不如我们早点除掉他。”
苻坚说道：“看来先生也有看错人的时候啊，人家虔诚来投奔，不会有假的，你就放心吧，你们要团结起来治理好秦国。”
