，但刘裕早有防备，已留伏兵于水源处，公孙五楼兵败身死，刘裕又率军乘胜攻击，击退慕容超所率南燕大军，进占临朐，慕容超领兵再战，南燕兵士士气全无，一泻千里，部将段晖战死，慕容超恐惧万分，只得带残兵败将退回都城广固。
刘裕率军携大胜之威，进逼广固，慕容超只得遣使向后秦皇帝姚兴求援，并将广固外城军民迁入内城，固守待援。
然而，慕容超所派使者从关中返回，见后秦受制胡夏，姚兴虽同意派兵一万救援，但杯水车薪，索性直接投靠刘裕，刘裕连月攻城不克，心中焦急，见使者来投，大喜过望，便让其于城外高喊：“姚兴被刘勃勃所败，不会有援军到来！”
南燕守军听闻使者呼喊，士气大衰，慕容超怒不可遏，命军士放箭，射走使者，并派人求见刘裕，想称藩求和，但刘裕不准，慕容超无奈只得再派大臣韩范出使后秦乞援，后秦皇帝姚兴已派姚强领兵一万救援南燕，便让韩范带路，但是行至半途，胡夏国主刘勃勃领兵进犯后秦，姚兴只好派人将姚强所部追回，韩范走投无路只得再投刘裕，刘裕又带其绕广固城巡视，南燕守军见韩范亦投降刘裕，军心涣散，毫无守城之意。
公元401年初，又到除夕之日，困守孤城数月的南燕皇帝慕容超，召见群臣，并杀马犒赏
守城将士，加封众臣，但这时东晋大军源源不断增围广固，城中兵士百姓纷纷逃出城外，投降东晋，刘裕更是绕城筑起三丈高栅栏，做长久围困之状，城中大臣不断有人劝说慕容超纳土归降，但慕容超宁死不从，态度坚决。
同年2月，南燕大臣悦寿打开城门，放晋军入城，慕容超只得率数十侍卫趁乱突围，被晋军所俘，刘裕领兵入城诛杀南燕宗室、臣属三千余人，并将慕容超押送建业，将其于建业闹市斩首示众。自此南燕灭亡，自慕容德称王至慕容超被俘，享国12年。
南燕灭亡之后，曾经与之交好的后秦更是在胡夏国主刘勃勃的打击下风雨飘零，胡夏也在刘勃勃的统治下逐渐走向鼎盛。
若知胡夏是否会取代后秦，统治关中，后秦国运如何，请看下章。