（369年）七月，枋头。
桓温率军先至稍作休整，慕容垂随后率军抵达，燕、晋两军在枋头沿河对峙。
吴王慕容垂正带着亲从巡查各处营垒，身材高大的他在人群中极为显眼，自十三岁跟着四哥慕容恪攻打宇文部至今，勇冠三军且从无败绩，他的出现使低落的士气得到极大安抚。
燕军此前连连战败，连皇帝慕容暐和太傅慕容评都心生动摇，想要放弃邺都逃往旧都龙城，主动请战的慕容垂可以说是临危受命，却依旧不被信任。
从少年时起，慕容垂因屡立战功受到父亲慕容皝看重，被兄长慕容儁视为对自身地位的威胁。慕容垂原名慕容霸，年少时喜欢打猎出游，曾在一次打猎时坠马磕掉了牙齿。慕容儁即位燕王之后，拿这件事奚落作为报复，以效仿先贤郤垂夬（缺）的理由让他改名，不久又因缺字触犯谶纬，省去夬部以垂为名。
前燕光寿二年（358年），慕容垂的王妃段氏（先段妃）因傲慢惹怒可足浑皇后，被其指使宦官中常侍涅浩以巫蛊事诬陷段氏及吴国典书令高弼，慕容儁也想借此机会处置慕容垂，于是对段氏施以严刑。段氏为了不连累慕容垂，始终没有屈招攀扯，被活活打死在狱中，慕容垂这才得以幸免。
之后出任平州刺史镇守辽东，慕容垂续娶小姨子（后段妃）为吴王妃，可足浑皇后又逼迫慕容垂将之废黜，将妹妹长安君嫁给慕容垂，慕容垂虽不敢拒绝，却表现的十分不快，可足浑皇后也对他愈发厌恶。
而桓温此次北伐的向导段思，就是慕容垂的舅子，在先段妃死后出奔到东晋。
两军主帅都有着丰富的军事经验，用兵老练且谨慎，不约而同的以前哨发起小规模接触。
桓温所部一路北上都是坐船沿水路行军，六月进军到金乡时，因天旱水浅运输不易，派毛穆之从巨野泽凿河道百余里，连通汶水、清水，引入黄河作为粮道。由于这条人工河道水量不丰，后勤运输仍旧吃力，桓温谋主郗超提出建议。一是趁胜速战速决，全军弃船上岸携带干粮轻装疾进，绕过重兵防守的据点直扑邺城，使燕军来不及坚壁清野，就食于敌。二是原地筑垒囤积兵马粮草，待到明年再发动进攻，这样准备更充足也能避过秋冬枯水期。两条建议都不合桓温心意，北伐只是他用来提升威望的手段，太过冒险不是他的风格，过于求稳长期不在荆、扬坐镇，他又对朝中可能出现的掣肘心存顾虑。
于是桓温沿水路进至枋头后，虽然距离邺城已经不是很远，却没有水道可以继续利用，而战事还将持续数月，进入秋冬来时的水路便没法再走，出于稳妥他命令走谯郡、梁国一线的豫州刺史袁真攻打石门，凿通睢水与黄河作为另一条后路。
之前桓温进驻武阳时，阳平人前燕兖州刺史孙元起兵响应，到达枋头后为了制造声势吸引更多追随者，他派出了熟知北方人物、地理的将领进行迂回。担任晋军向导的段思受命率部哨探，却被慕容垂掌兵后提拔的悉罗腾生擒，后赵降将李述随后接手了段思的工作，领兵绕路袭击燕军侧后，又遭遇悉罗腾和染干津拦截被当场斩杀，晋军在前哨交锋中接连遇挫，燕军则利用这期间对战场的短暂遮断进行了分兵。
桓温此时仍未察觉到不对劲，而从段思那里得到晋军偏师情报后，慕容垂集中所率的大部分骑兵约一万五千，交由弟弟慕容德率领前往石门阻击袁真，他本人则留在枋头待分兵之举被桓温发觉后牵制其主力。
慕容德额头饱满有日角隆准之相，个子比慕容垂还要高半头，前秦五公之乱时他曾上疏提议出兵，是个有远见卓识的人。袁真早年曾随庾翼北伐，在汝南、寿阳一线镇守多年，也是屡历战阵的宿将。慕容德与刘当率一万兵驻扎在石门，利用骑兵机动优势对袁真施压，迫其分出大量兵力戒备无法全力通运，又遣李邽领五千兵去袭扰晋军粮道。八月苟池、邓羌率前秦援军二万抵达颍川，袁真彻底陷入困境，而桓温受慕容垂牵制也无法支援。
袁真顶着压力硬撑到九月，士卒疲惫不堪，军粮耗尽却仍未能开通漕运。慕容德派慕容宙率一千骑为前锋发起反击，慕容宙以二百骑引诱晋军追击，自率剩余骑兵分三处埋伏，杀伤大量晋军。
而在枋头，随着入秋降雨减少，水位下降，桓温已无法原路返回。石门无法开通，军粮将尽，发现前秦援军，种种不利之下桓温只得焚烧船只，从陆路退兵。桓温以毛穆之留守东燕，经仓垣撤退，因慕容德用人畜尸体污染水源，晋军沿途只能掘井获取饮水，可以说是疲于奔命、人心惶惶。
前燕诸军发起追击，慕容垂认为晋军虽败，但主动撤退仍保持秩序，又有猛将邓遐率精锐断后，不如放缓速度，让晋军误以为燕军主力未到，加快撤退速度组织散乱后再大举追击。
慕容垂领八千骑兵缓缓跟随，慕容德率四千骑兵提前赶至襄邑阻截，晋军加快行军速度后，慕容垂也提速追赶，桓温在襄邑被追上遭夹击后大败，损失近三万。退至谯郡，桓温又遭遇苟池所率的前秦援军伏击，被杀伤近万人。
十月，桓温撤退到山阳收拢溃兵，耻于大败的他将责任推诿给了未能开通石门的袁真。袁真当然不愿意背这黑锅，慕容德那一万五千骑兵可是桓温漏过来的，于是向朝廷上表申诉。可朝廷畏于胁迫，不但不敢追究桓温，还命侍中罗含带着牛酒前往山阳犒赏，又任命其子桓熙为豫州刺史。心有不甘的袁真据寿春降燕，直到太和六年（371年）才被平定，而为桓温殿后的邓遐与袁真是同乡加表亲，也受到桓温猜忌被寻了个理由免职，没几年就郁郁而终。
同时，燕国以燕、秦缔结友好为名，相继派散骑侍郎郝晷、大鸿胪梁琛出使，探听秦国是否有对燕动兵意向。郝晷曾为徐统故吏，几次奉命登门辟请王猛，因此算是旧识，出使途中看到秦国大治，而燕国却内政混乱，因此暗中表露了依附王猛的心思，并泄露了很多燕国内情。梁琛的从兄梁奕则是在秦国任尚书郎，于是苻坚派梁奕在家中接待梁琛，梁琛以诸葛瑾出使蜀汉不与诸葛亮私下会面一事为由，拒绝前往梁奕家中相见，但在公馆之中却通过刻意对燕国的美化，隐隐暗示了大量情报。
十一月，晋军刚一退兵，慕容暐就反悔了，拒绝割让之前向秦国求援时许诺的虎牢关以西之地，前秦以此作为出兵名义，开启了攻灭前燕的序幕。