听说东晋大军到达，慕容超又亲自统领四万步兵和骑兵，出来接应。幕容超让公孙五楼到离临胸城40 里的巨蔑水去守卫。待公孙五楼到达该河岸边时，晋军前锋已经到达，两军相争，燕军抵敌不住，往后退去。晋军有四千辆战车，分为左右两翼，徐徐推进，直达临朐城外10 里，慕容超带领所有军兵前来，两军展开一场恶斗，战了一天，仍是旗鼓相当，未分胜负。

刘裕的一名参军向刘裕献计：“现在燕军全体出动前来接战，城中必定空虚，将军为什么不派兵抄小路去袭击敌军城池呢?这就是当年韩信破赵用过的妙计呀!”刘裕连声说好，当即派兵数千，由两员部将率领，绕过燕军后面，前去袭击临朐城。此时城内只有老弱残兵守卫，城南有一营垒，也不过军兵千名，遭受晋军突然袭击，哪有抵抗之力。晋军轻易占领了临朐城。

慕容超得知临朐城池已失，大吃一惊，便不顾燕军大队，单人独骑跑了回去。燕军失去主子，顿时大乱，纷纷逃跑，刘裕挥兵追击，吓得慕容超马失前蹄，摔下马来，差点儿被晋军捉住。亏得公孙五楼替他换了一匹马，保护他得以逃脱。慕容超拼命逃跑，跑回广固城中，尚来不及整顿人马，晋军已经追到，突入了外城。

慕容超和公孙五楼退入内城死守。晋军猛攻，一时未能攻下，刘裕便下令筑起长围困敌，堡垒高达三丈，还有三道堑壕相连。一面派人招降远近人众，选拔贤德之人加以任用，当地汉族和夷族人士都很高兴，很拥护刘裕。慕容超困守孤城，万般无奈，派尚书郎张纲，夜里缒出城外，去向秦国求援，救兵没请来，张纲却成了晋军俘虏。刘裕大喜，亲自为张纲解绑，赐酒压惊，张纲便归顺了刘裕。慕容超没盼来秦国援兵，却见到张纲站在晋军的楼车上劝降。燕军大为惊恐，慕客超派人向刘裕求和，刘裕斥退了来使。

慕客超无计可施，第二次派尚书令韩范去向秦国求援。秦国自己尚且吃紧，哪里派得出援兵，只派了一名使臣去威胁刘裕，要刘裕退兵，说是如若不退，秦军10 万铁骑将来攻打晋军。刘裕很清楚这是虚声恫吓，便怒斥来使：“你去向你的主子姚兴传话，等我平定青州之后，便要进函谷关了，如果姚兴想早死，那就让他快来吧!”张纲善于制造攻城器具，刘裕便让他设计监造，果然十分巧妙，攻城之时，可以保护自己不受损失便能登城。韩范见孤城难保，也投降刘裕。

刘裕让韩范到城下招降守将，城中军兵更失信心，陆续出城投降。刘裕见时机成熟了，便发动了总攻。南燕尚书悦寿见势不妙，便开城迎进晋军。慕容超带领数十人马逃跑，不到一里路，就被晋军捉回。征服南燕，就刘裕来说是知己知彼，算度准确，用兵得当。