慕容恪去世了，桓温终于等来了机会。太和四年（369）三月，晋大司马桓温上书朝廷，要求北伐前燕，并建议徐州、兖州刺史郗愔带领京口兵、豫州刺史袁真带领豫州兵和他一同北伐，受他节制调度。桓温的荆州兵加上京口兵、豫州兵，这是晋的三大主力部队，桓温是打算倾全国之力出师北伐，他是志在必得。如今晋廷是他说了算，他的提议自然得到批准。

郗家在京口（今江苏镇江市）深耕几十年，京口兵是郗鉴当年把北方流民组织起来，加以严格训练，才逐渐形成的一支战斗力强、纪律严明的劲旅。桓温经常说：“京口酒可饮，兵可用。”他对这支部队垂涎三尺，一直想据为己有，对郗愔久居京口非常不满。

但郗愔政治头脑稍差，他得到北伐命令后也是心潮澎湃，准备大展身手，还给桓温写了一封信，表示要与他共辅王室，收复中原。郗愔的儿子郗超当时在桓温府做参军，和桓温关系密切，很了解桓温的心思。他看到父亲写给桓温的信后，当即撕碎，又模仿父亲笔迹重新写了一封。“郗愔”在这封信中说自己年老多病，希望离职休养，并请桓温统领自己的部队。桓温见信后非常惊喜，当即建议朝廷调任郗愔为会稽内史——这是个肥差——桓温本人则亲自兼任徐、兖二州刺史，统领京口兵。

太和四年（369）四月一日，是个好日子，桓温率领五万大军从姑孰出发，文武百官前来饯行，桓温威风凛凛，志得意满，准备要一举收复中原。

桓温从兖州走水路北上，郗超说：“到临漳路途遥远，汴水较浅，水路运粮会有困难。”但桓温听不进去。

不久，桓温抵达了一个叫金城（今江苏句容市北）的地方，他命大船停下，然后登陆上岸。他对这个地方太有感情了，当初他做琅琊内史的时候经常视察金城，还在河岸边种下了不少柳树，转眼三十多年过去，当年的小柳树苗已经长成参天大树，可达十围粗，而当年他只有二十岁左右，正是风华正茂的好年纪，如今他已经五十八岁了。岁月不饶人，桓温抚摸着裂痕斑斑的黑树皮慨然长叹：“木犹如此，人何以堪！”不觉间已经泪流满面。这就是著名的“桓公叹柳”的故事。

桓温率军继续北上，六月抵达金乡（今山东金乡县北）。恰逢大旱，水路无法继续行军，桓温命冠军将军毛虎生在钜野（今山东巨野县）挖掘出三百里运河，使得济水和汶水相接，这条运河被称为“桓公渎”。桓温率军队由清河进入黄河，舰船相连，绵延数百里。

桓温派建威将军檀玄进攻湖陆，生擒前燕守将宁东将军慕容忠。

面对晋军的攻势，慕容暐任命下邳王慕容厉为征讨大都督，率军两万迎战，但被晋军打得大败，慕容厉只身逃走，高平郡太守徐翻投降。晋前锋邓遐和朱序在林渚又击败了前燕将领傅颜。慕容暐派乐安王慕容臧率军抵抗，又大败，他急忙派散骑常侍李凤前往前秦求救。

七月，桓温率军抵达枋头（今河南浚县东南），慕容暐和太傅慕容评等人十分惊慌，他们一看桓温果然名不虚传，再顽抗下去可能会被活捉，便计划向北逃回旧都龙城去。

慕容垂不同意逃走，他说道：“请允许我带兵去攻打晋军，如果失败，再走也不迟。”慕容暐和慕容评一听，也没有其他更好的办法了，只有让慕容垂一试，于是任命慕容垂为使持节、南讨大都督，另外任命慕容德为征南将军，率军五万，共同迎击桓温。慕容垂又请求让司徒左长史申胤、黄门侍郎封孚、尚书郎悉罗腾一同前往，得到批准。

为保证万无一失，慕容暐同时派散骑侍郎乐嵩去前秦请求救援，承诺把虎牢关以西的土地割给前秦。在王猛的劝说下，八月，苻坚派将军苟池、洛州刺史邓羌率两万将士去救援，抵达颍川后驻扎，并派人告知前燕。

封孚问申胤道：“桓温军容整齐，士气高涨，为什么他停驻在堤岸之下不出击？他有什么打算呢？”申胤回答道：“如果仅从表面上看，桓温似乎会有所作为，但以我观察，桓温成功不了。这是为什么呢？因为司马氏衰微，桓温专权，一支独大，有吞并其他家族势力的趋势，这些世家大族必然会从中作梗，不让桓温的胜利继续下去。桓温性格多疑，不善于冒险突击，只求稳中求胜，时间一长，军粮运输就会出现问题，到时候他会一败涂地。”

桓温让降将段思做向导。前燕尚书郎悉罗腾与晋军交锋，活捉了段思，之后悉罗腾和虎贲中郎将染干津又杀死了桓温的部将李述，晋军士气受到影响。

当初，桓温命豫州刺史袁真攻打谯郡、梁国，开凿石门（今河南荥阳市北），使睢水和黄河连通，用来运输军粮。临行前，桓温对袁真再三叮嘱开凿石门通道是大军的生命线所系，要袁真务必完成任务，袁真当即允诺。袁真率军奋力攻下了谯郡和梁国，但却无法凿开石门，水运受阻。

前燕也意识到了石门的重要性。九月，慕容德率骑兵一万、兰台侍御史刘当率骑兵五千赶赴石门，阻挡袁真的开凿工程，袁真部队受阻。与此同时，前燕豫州刺史李邦率领五千人截断了桓温的粮道。

慕容德派将军慕容宙率一千精骑做前锋，和晋军正面交锋。慕容宙设三处伏兵，然后让两百骑兵前去挑战晋军，晋军一到，燕军就被“吓得”逃走，晋军追击，中了埋伏，死伤惨重。

桓温屡屡失手，军粮也要吃尽，又得到前秦军队即将到来的消息，他觉得这仗是没法打下去了。

太和四年（369）九月十九日，桓温命令烧毁舟船，让士兵脱掉铠甲，抛弃辎重，从陆路轻装撤退。桓温从东燕郡（今河南延津县东北）到了仓垣，为了防止前燕在河里下毒，晋军自己开挖水井吃水，就这样一路狂奔了七百多里。

前燕的将军们要求派兵速速追击，慕容垂说道：“不急，桓温很谨慎，他退兵的时候一定会让精兵断后，我们马上追击讨不到便宜。等他们走了一段路后筋疲力尽了，又发现后面没有追兵，思想一定会松懈，到时候我们全力追击，一定会大获全胜。”于是慕容垂亲率八千精骑远远地跟着桓温的队伍前行。

过了几天，慕容垂下令道：“全速进攻桓温！”前燕军催动战马狂奔，在襄邑（今河南睢县）追上了桓温的主力部队，这时候慕容德先期率领的精骑四千人已经埋伏在襄邑东的山涧中了。慕容垂与慕容德都是猛将，他们两面夹击，这时候桓温军已经走得筋疲力尽，加之士气低落，大败，被杀死三万多人。桓温率残兵到达谯郡，突然前秦的苟池、邓羌又杀将出来，桓温又损失万人。

十月二十二日，桓温率领仅剩的万余名残兵败将到达了山阳（今江苏淮安市）。

桓温的这次北伐是他的第三次北伐，也是最后一次。这次败仗，史称“枋头之战”。

桓温遇到了生平从未有过的大败仗，非常愤怒，为了转移朝廷众臣的焦点，他把这次战败的责任归咎于石门的水运通道没有打通，于是上书朝廷，要求把袁真贬为平民。袁真自然不认账，也上书喊冤，认为这是桓温诬陷自己。朝廷自然是听桓温的。袁真一气之下在寿春反晋，投降了前燕，并请求前燕派兵援助。

实事求是地分析，袁真没有打通石门通道，自然是要负责，桓温上书把他贬为平民也不算亏了他，认了就算了，以后还有机会复出。但袁真也是个急脾气，他竟然选择了投降前燕，人生就没有了归途。袁真是不是故意不打通石门通道？这个不好臆测。

秘书监孙盛写的《晋春秋》里，真实记载了桓温的枋头之败。桓温看到此书后暴怒，对孙盛的一个儿子说：“我在枋头确实失利了，但还不至于像你父亲说的那样，如果这部书流传出去，你要考虑你满门的安危！”

孙盛的儿子一听这可不得了，赶忙去找父亲孙盛，要他修改。当时孙盛年龄已经很大了，儿孙绕膝，但他有一身傲骨，当场拒绝了桓温的修改要求。孙盛的儿子们得到消息，全部跪倒在他面前，痛哭流涕，要求他以家族百余口的性命为重，修改对枋头之战的记录。孙盛被儿子们的行为气得胡子撅得老高，坚决不答应。儿子们没办法，就私下里对书进行了修改，但之前孙盛已经抄写了一部并送到境外。后来晋孝武帝收购天下奇书时，从辽东人手里够得此书，于是《晋春秋》就有了两种版本并存于世。