义熙五年（409）四月十一日，刘裕亲率大军北伐南燕，大军浩浩****从京师建康出发，由淮河入泗水。五月，大军抵达下邳，刘裕命将士下船，走陆路去往琅琊。刘裕步步为营，每经过一处，都要命人修筑防御工事，留下士兵把守。有手下对刘裕说：“慕容氏如果把守大岘山（即沂山），或坚壁清野，我们恐怕会有来无回，这又当如何？”刘裕微微一笑，说道：“这个问题我之前已经考虑得非常清楚了，慕容超没有这个见识，我敢保证。”

慕容超得到刘裕率大军前来的消息，召集文武百官商议对策，征虏将军公孙五楼建议道：“刘裕孤军深入，肯定想速战速决。我们严守大岘山，让敌人将寸步难行，然后派两千精骑，南下切断他们的粮道，命兖州刺史段晖率军夹击他们，这是上策。收割庄稼，坚壁清野，这是中策。让敌军进入大岘山，我们再与他们决一死战，这是下策。”公孙五楼不但马屁拍得好，对兵书战策也是颇有研究，这会儿说得头头是道。

慕容超说道：“从星象上看，此战有利我国，而且我们还拥有数万铁骑！我们不能先收割庄稼，再躲进城池，这会让敌人耻笑我们。先放他们进入大岘山，再派精骑对他们发起冲击，他们多是步兵，我们不愁不胜！”

太尉桂林王慕容镇也劝慕容超不能让刘裕大军过了大岘山，慕容超拒绝接受。退朝后，慕容镇说了几句牢骚话，慕容超大怒，把慕容镇关进了监牢。

刘裕率大军无障碍地通过了大岘山，在六月十二日抵达东莞县。慕容超派公孙五楼、慕容贺赖卢和段晖等将领率五万人驻防临朐（qú，今山东潍坊市临朐县），他自己亲率四万大军增援。晋前锋将军孟龙符和公孙五楼遭遇，两军展开激战，都想给己方争个首战告捷。南燕军渐渐不是对手，公孙五楼败退。

为了对付南燕军的铁骑，刘裕专门发明了一种阵法，后人称之为“却月阵”。刘裕出动四千辆军车，让它们两两相连，护住左右两翼，中间为主力军，然后缓慢前行，车辆打开帷幔，站立的军士都手持长槊，专刺敌军马匹，这种阵法能有效抵御骑兵。双方展开血战，打得难解难分，南燕骑兵发动数次冲锋，都被击退。但“却月阵”偏重防守，进攻不足，两军呈胶着状态，从早上打到了中午，难分胜负。

参军胡藩对刘裕说：“燕军倾巢而出，临朐防守力量肯定薄弱，我愿率一支人马去夺临朐。”刘裕同意，派胡藩和咨议参军檀韶、建成将军向弥率军绕过南燕军主力，向临朐发起了进攻。向弥十分勇猛，他身披铠甲，由兵卒掩护，第一个登上了城楼。他抽出宝剑，砍倒了几个守城军，守军惊骇，纷纷后撤，其他将士也趁机登上城楼，临朐就这样被夺了。在城中的慕容超惊慌失措，他骑上快马，飞奔出城。刘裕得到捷报，下令全力冲锋，南燕军大败，段晖等十几员大将被斩。

慕容超狼狈逃回广固，他的玉玺、御车等全被晋军缴获。刘裕率军抵达广固城下，六月十九日，晋军攻陷了广固的外城，南燕军死守内城。刘裕命修建三丈高的长墙，又挖了三道地沟，围住广固。这时候，附近的汉人、夷人纷纷前来投靠。

慕容超派尚书郎张纲向后秦请求派兵支援，又赦免了桂林王慕容镇，任命他为录尚书、都督中外诸军事。

广固城内人心浮动，南燕的尚书垣尊和他的弟弟京兆太守垣苗都是慕容超的心腹，但这时候他们也生出了二心。他们跳墙出城，向晋军投降，刘裕任命他们为行参军。

有人告诉刘裕道：“张纲是位能工巧匠，应该抓住他，让他给我们制造攻城武器，这样一来广固必能攻克。”张纲这时候正从长安回来向慕容超复命，正好被晋泰山郡太守申宣抓获，带给了刘裕。

刘裕逼张纲登上巢车，向城内喊话道：“姚兴已经被刘勃勃打得大败，无法派出援兵来解救我们了。”这句话让城内炸开了锅，南燕军士气瞬间变得低落。慕容超向刘裕提出割让大岘山以南的土地，并说自己愿意称臣，请求罢兵，刘裕拒绝了。

姚兴这时候也正和刘勃勃交锋，而且处于下风，自身难保，确实无力援救南燕，但他派出了使者。使者见到刘裕，咋呼地说：“慕容氏是我们的友好邻邦，现今我们已经派出精兵十万驻扎洛阳，希望你们快快撤兵，否则我们就要直接杀过来了。”刘裕一听，哈哈大笑，对使者说道：“回去告诉姚兴，我灭燕之后，修整三年，就回去取关中。如果你们今天就过来，我求之不得！”

慕容超又派出和姚兴关系较好的尚书令韩范出使后秦，看在老朋友的份上，姚兴派出一万部队随韩范救援南燕，可走到半路又给招呼回去了，因为他在刘勃勃那里吃了败仗，需要援军。韩范仰天长叹道：“天要亡燕了！”

韩范来到晋军的大营，向刘裕投降。这时候，张纲也给刘裕设计好了攻城的武器，件件精巧，都是攻城利器。慕容超看到战场上的这些武器后暴怒，命人把张纲的母亲倒挂在城墙上，残忍地肢解了。

慕容贺赖卢和公孙五楼想出了挖地道偷袭晋军的办法，但刘裕对此早有防备，燕军被击退了。广固城内缺粮严重，大多数人患了软脚病，浑身无力，尚书悦寿劝慕容超道：“现今，天助贼人，我们困守孤城，外无援军，陛下应该想一个变通之计。”慕容超知道这是让自己出城投降，他长叹道：“兴废都是命啊，我宁可战斗到死，也不衔玉璧出城投降。”

义熙六年（410）二月五日，刘裕决定对广固城发动最后一击，命令全部的兵马从四面同时攻城。悦寿看到大势已去，主动打开了城门，迎接晋军入城。慕容超没逃多远，就被晋军抓获了。刘裕训斥慕容超，责问他为什么不早日出城投降，慕容超神色如常，一言不发。

刘裕痛恨广固顽固抵抗，消耗掉自己大量的兵马，命人拆毁了广固城的城墙，还准备屠城，但在韩范的劝说下又放弃了。刘裕处死了南燕皇室和公卿等三千多人，收押家属一万多人。

刘裕命人把慕容超押回建康，在大街上斩首示众。

慕容超死的时候二十六岁，共在位六年，至此，五胡十六国中的南燕灭亡，共立国十三年，历两任国君，慕容德和慕容超。