六月，孙恩带领十几万人马沿海路进军，准备突袭丹徒（今江苏镇江）。刘牢之还驻守在山阴，京城震动。刘裕听闻此事，日夜赶路，和起义军同时到达丹徒。当时刘裕和起义军兵力悬殊，加上长途赶路将士疲劳，而丹徒的守军又没有斗志。孙恩率领几万人马击鼓呐喊攻打蒜山，蒜山居民拿起扁担准备抵抗。刘裕带兵出击，大败起义军，孙恩虽然被打败，但凭借着人多的优势径直向京城进攻。因战船高大，且遭遇风暴难以前行，用了十天才到达白石。
不久之后孙恩得知刘牢之已撤回京师，朝廷已有防备，就转而向郁泌进攻。八月，朝廷加任命刘裕为建武将军、下邳太守，率领水军追击孙恩到郁洲，又大败起义军，逼得孙恩向南逃跑。十一月，刘裕在海盐又一次打败孙恩。从这以后，他三次交战都取得胜利，俘虏上万起义军，而起义军因为饥饿疾病瘟疫等死了一半以上的人，于是从浃口撤至临海 。刘裕带领水军趁胜追击孙恩，孙恩害怕被抓，于是在临海（治章安，今浙江临海东南）投海自尽。
平定桓玄
为了镇压孙恩那来势汹汹且规模浩大的起义势力，晋朝廷可谓是倾尽了全力，投入了不计其数的兵力与之展开激烈对抗。然而，如此巨大的军事消耗却带来了一个严重的后果——京城的防守力量变得异常薄弱，形同虚设。与此同时，远在荆州之地、对江南富庶地区虎视眈眈已久的桓玄敏锐地察觉到了这个绝佳的机会。
元兴元年（公元 402 年）正月，寒风凛冽，旌旗猎猎作响。骠骑将军司马元显率领着浩浩荡荡的军队向西挺进，目标直指桓玄。而另一边，桓玄也毫不示弱，亲自统率着荆楚一带久经沙场的强大军团，一路向南疾驰而去，矛头直指向元显所部。
面对桓玄咄咄逼人的攻势，元显派遣镇北将军刘牢之前去抵御。与此同时，年轻有为的刘裕则作为得力助手一同出征，跟随在刘牢之左右。刘牢之率领着麾下的众多将士马不停蹄地奔赴战场，最终抵达了溧洲。就在他们严阵以待之时，桓玄的部队如汹涌潮水般涌至。
眼见敌军已近在咫尺，刘裕心急如焚，当即向刘牢之请战，欲主动出击迎敌。但令人意想不到的是，刘牢之竟然断然否决了刘裕的提议，并心生一计，打算派遣自己的儿子敬宣前往桓玄营地，试图通过谈判求和来化解这场兵戎相见的危机。
对于刘牢之的决定，刘裕与刘牢之外甥何无忌皆表示强烈反对，两人苦苦劝谏，但刘牢之却犹如吃了秤砣铁了心一般，执意要按照自己的想法行事。
果不其然，桓玄凭借着过人的谋略和强大的军力，迅速突破防线，长驱直入，一举攻占了京城。得手后的桓玄并未善罢甘休，而是痛下杀手，残忍地处死了元显。随后，他又将目光转向了刘牢之，表面上任命其为会稽内史，看似给予了一定官职，实则是明升暗降，趁机剥夺了刘牢之手中握有的兵权。
刘牢之得知这一变故后惊恐万分，深知自己已陷入绝境。走投无路之下，他想到了拉刘裕入伙，一同前往广陵起兵造反。然而，刘裕经过深思熟虑后，认为此时桓玄刚打下京师，正是风头无两、士气如虹之际，若贸然行动，只怕是以卵击石，难以成功，于是果断地拒绝了刘牢之的邀请。话说那刘牢之发起起义之后，由于种种缘故渐渐失去了民心，这使得他内心愈发惶恐不安。日子一天天过去，这种恐惧与日俱增，最终竟令其走上了绝路——自缢身亡。
此时的何无忌茫然无措，完全不知应当去往何处。思来想去，他决定向刘裕请教一番。刘裕经过深思熟虑后说道：“现今桓玄骄纵蛮横、自以为是，想必一定会启用我们这些可用之人。依我之见，不如你我一同返回京口。倘若桓玄能够谨遵臣子之道，顺从当今圣上，那么咱们便归降于他；可要是他胆敢肆意妄为，不把皇上放在眼里，那咱俩就联手起来共同讨伐这个乱臣贼子！”
果不其然，桓玄派遣他的堂兄桓修去镇守丹徒，而刘裕则被委以重任，担任起了中兵参军一职。
时间来到元兴二年（公元 403 年）的十二月，桓玄终于按捺不住野心，一举夺得了皇位。刘裕也只得跟随桓修入朝觐见新皇。当桓玄亲眼见到刘裕时，心中不禁暗暗惊叹：此人气度非凡，实乃人中豪杰啊！正因如此，桓玄对刘裕更是恩宠有加。
然而，桓玄的妻子刘氏却有着一双慧眼，善于识别人才。她屡次告诫桓玄说：“那刘裕言行举止间皆透露出一股非凡之气，绝非甘心久居人下之辈。您还是趁早想办法将他铲除，以免日后养虎为患呐！”但桓玄一心想着借助刘裕的才能去攻占中原地区，故而并未采纳妻子的谏言。同时，桓玄称帝后为消除隐患，瓦解北府兵，大力剿杀北府兵旧将，北府军几乎遭到灭顶之灾。
正在桓玄盘算之际，刘裕也在暗中计划讨伐桓玄。他召集何无忌、刘毅等人在广陵（今江苏扬州）、历阳（今安徽和县）、京囗、建康准备随时起事。元兴三年（404年）二月，刘裕以打猎为名，召集北府兵残余的人马在京口起义，歼灭了桓楚在京口的兵力，杀死桓修。随后众人推举刘裕做盟主，并将消息传达出去，各个地方纷纷响应。得知刘裕起义后，桓玄每天忧心忡忡，想不出办法来应对。有人认为不必担忧力量弱小的刘裕等人，桓玄却称赞刘裕是雄才，他认为刘毅家无多少储蓄，却大方捐出百万；何无忌和他舅舅刘牢之也很像，他们联合起来共举大事不是没有可能成功。 桓玄先派手下猛将吴甫之和皇甫敷率精兵抵御刘裕，结果都被刘裕打败并杀害。三月，刘裕攻打覆舟山，并派遣弱兵登山，拿着旗帜分别在不同的道路上行走，营造出四周有很多士兵的假象；而又因桓玄守军里很多原本是北府军，面对刘裕时都没有战斗的欲望，刘裕于是带领全军以火攻大败桓玄的守军，而桓玄也被逼弃城往西逃跑 。
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