第一次北伐:是以关中长安为目标。晋穆帝永和十年（354）二月，桓温统步骑四万由江陵出发。桓温兵到关中，时在五月，正是麦收时节。他原希望就地收麦，解决军粮问题。秦王健采取坚壁清野的对策。桓温军中乏食，不得不撤退。秦兵从后追击，温军屡败，死亡以万数。第二次北伐:第二次北伐是进兵洛阳。穆帝永和十二年（356）七月，桓温自江陵出发。八月，至伊水，大败姚襄，收复洛阳。桓温极力主张还都。但一般朝臣已安于江南的享受，无意于还都洛阳，举朝反对桓温的还都计划。桓温军还以后，司、豫、青、兖诸州又为燕夺去。公元365 年洛阳也为燕所攻取。第三次北伐:伐燕。海西公太和四年（369）四月，桓温帅步骑五万，发自姑孰（今安徽当涂），经兖州北伐燕。桓温粮尽，粮路又断，遂不得不退。他焚舟、弃辎重、铠仗自陆路奔还。燕军乘胜追击，温军死者三万余人。援燕的秦军，邀击温军于谯，温军死亡又以万计。冬十月，桓温收集散卒，屯于山阳。枋头之战，是历史上一次大战，桓温又一次大败。
桓温北伐失败的原因是多方面的。
从将领素质上看，桓温的军事才能在东晋无出其右者，即使放眼当时的全中国，他也属于优秀的军事将领。可是他三次北伐所遇到的对手也都不是省油的灯。苻健是前秦奠基之主，虽然军事能力略逊一筹，但仍以坚壁清野的战术挫败桓温。后来的慕容恪、慕容垂兄弟更是一时之选，慕容恪十几岁就已随父征战，东败高句丽、西破宇文部，后赵亡后又消灭冉闵使前燕吞并河北，前燕皇帝慕容俊死时，东晋大臣弹冠相庆，桓温却说：“慕容恪尚存，所忧方为大耳。”慕容垂是慕容俊和慕容恪的弟弟，其才能连慕容恪也自叹弗如，在其执政期间甚为倚重，第三次北伐时，慕容恪已死，前燕内忧外患，几乎无力抵抗。桓温一路势如破竹。但在枋头却忽又逡巡不前，企图“坐取全胜”。而前燕又启用备受排挤的慕容垂，以慕容恪训练的铁甲骑兵大破桓温，致其元气大伤。自此桓温北伐以失败告终。
从政治上看，南渡的东晋朝廷实际是北方南迁士族与江东本土士族妥协下的产物。皇帝乃至皇族都难以掌握实权。士族间的权力争夺与权力平衡成为东晋政治生活的主题。桓温的北伐无疑将破坏这种平衡，所以东晋朝廷对其多方制肘。北伐之初即任命殷浩主持大局，以削弱桓温的影响。桓温攻下洛阳后曾要求还都，东晋朝廷不予理会。东晋朝廷的不配合使桓温几乎是孤军奋战，失败也难以避免。
从军事上看，桓温的军事才能固然不俗，但其军队却不如以胡人为主的北方军队骁勇善战。南方人的身体素质不如北方人是众所周知的事实，而南迁的北方难民从郗鉴开始就被东晋朝廷有组织的收编。而且由于东晋朝廷与桓温互相猜忌，所以桓温的兵源与后勤供给也都很有限。这些军事上的因素极大的限制了桓温的北伐。
从目的上看，桓温北伐的目的是为了捞取政治资本。早在殷浩北伐时他就出兵东进至武昌威胁建康，后又利用殷浩与依附东晋的羌人首领姚襄之间的矛盾整垮了殷浩，借机独掌兵权。第一次北伐进攻关中时桓温又驻兵霸上，企图坐观司马勋与前秦军两虎相争。结果司马勋败退，桓温自己也因粮草不足撤退。第二次北伐攻取洛阳后，桓温上书要求还都，实际有借机控制朝廷的考虑，被拒绝后，桓温只留下毛穆之带两千多人守洛阳，洛阳长期驻防兵力不足，结果慕容恪以倾国之力夺取了洛阳近黄河以南的大片领土，桓温却只派袁真和邓遐支援洛阳，自己按兵不动，以期在防御中消耗其他派系。
总的来说，桓温北伐与诸葛亮北伐类似，都是以一己之力力挽狂澜（诸葛亮依靠益州，桓温依靠荆州）。结果综合实力的差距导致北伐失利。但不同的是，诸葛亮一心为国，北伐不计较个人得失；而桓温却企图保存个人实力，以期实现其政治目的，所以常常因坐观成败而贻误战机。客观上实力不如敌人，主观上又没有击败敌人的决心，桓温的失败可说理所当然。
对郗身居北府深为不满起屠维大荒落（己巳），尽上章敦牂（庚午），凡二年。
海西公太和四年（己巳、三六九年）
春，三月，大司马温请与徐、兖二州刺史郗愔、江州刺史桓冲、豫州刺史袁真等伐燕。初，愔在北府，温常云：“京口酒可饮，兵可用。”深不欲愔居之（对郗愔身居北府深为不满）；而愔暗于事机（不识时务），乃遗温笺，欲共奖王室，请督所部出河上。愔子超为温参军，取视，寸寸毁裂；乃更作愔笺，自陈非将帅才，不堪军旅，老病，乞闲地自养，劝温幷领己所统。（暗中保护，急流勇退。）温得笺大喜，卽转愔冠军将军、会稽内史。温自领徐、兖二州刺史。夏，四月，庚戌，温帅步骑五万发姑孰。
甲子，燕主暐立皇后可足浑氏，太后从弟尚书令豫章公翼之女也。
大司马温自兖州伐燕。郗超曰：“道远，汴水又浅，恐漕运难通。”温不从。六月，辛丑，温至金乡，天旱，水道绝，温使冠军将军毛虎生凿巨野三百里，引汶水会于清水。（大动作。）虎生，宝之子也。温引舟师自清水入河，舳舻数百里。郗超曰：“清水入河，难以通运。若寇不战，运道又绝，因敌为资，复无所得，此危道也。不若尽举见众直趋邺城，彼畏公威名，必望风逃溃，北归辽、碣。若能出战，则事可立决。若欲城邺而守之，则当此盛夏，难为功力。百姓布野，尽为官有，易水以南必交臂请命矣。但恐明公以此计轻锐，胜负难必，欲务持重，则莫若顿兵河、济，控引漕运，俟资储充备，至来夏乃进兵；虽如赊迟，然期于成功而已。舍此二策而连军北上，进不速决，退必愆乏。贼因此势以日月相引，渐及秋冬，水更涩滞。且北土早寒，三军裘褐者少，恐于时所忧，非独无食而已。”（郗超从后勤保障上劝谏慎重。）温又不从。
温遣建威将军檀玄攻湖陆，拔之，获燕宁东将军慕容忠。燕主暐以下邳王厉为征讨大都督，帅步骑二万逆战于黄墟，厉兵大败，单马奔还。高平太守徐翻举郡来降。前锋邓遐、朱序败燕将傅颜于林渚。暐复遣乐安王臧统诸军拒温，臧不能抗，乃遣散骑常侍李凤求救于秦。
秋，七月，温屯武阳，燕故兖州刺史孙元帅其族党起兵应温，温至枋头。暐及太傅评大惧，谋奔和龙。吴王垂曰：“臣请击之；若其不捷，走未晚也。”暐乃以垂代乐安王臧为使持节、南讨大都督，帅征南将军范阳王德等众五万以拒温。垂表司徒左长史申胤、黄门侍郎封孚、尚书郎悉罗腾皆从军。胤，钟之子；孚，放之子也。
暐又遣散骑侍郎乐嵩请救于秦，许赂以虎牢以西之地。秦王坚引羣臣议于东堂，皆曰：“昔桓温伐我，至灞上，燕不我救；今温伐燕，我何救焉！且燕不称藩于我，我何为救之！”王猛密言于坚曰：“燕虽强大，慕容评非温敌也。若温举山东，进屯洛邑，收幽、冀之兵，引幷、豫之粟，观兵崤、渑，则陛下大事去矣。今不如与燕合兵以退温；温退，燕亦病矣，然后我承其弊而取之，不亦善乎！”坚从之。八月，遣将军苟池、洛州刺史邓羌帅步骑二万以救燕，出自洛阳，军至颍川；又遣散骑侍郎姜抚报使于燕。以王猛为尚书令。
太子太傅封孚问于申胤曰：“温众强士整，乘流直进，今大军徒逡巡高岸，兵不接刃，未见克殄之理，事将何如？”胤曰：“以温今日声势，似能有为。然在吾观之，必无成功。何则？晋室衰弱，温专制其国，晋之朝臣未必皆与之同心。故温之得志，众所不愿也，必将乖阻以败其事。又，温骄而恃众，怯于应变。大众深入，值可乘之会，反更逍遥中流，不出赴利，欲望持久，坐取全胜；若粮廪愆悬，情见势屈，必不战自败，此自然之数也。”（看出政治和后勤上的两大软肋和温的个性缺陷。）
温以燕降人段思为乡导，悉罗腾与温战，生擒思；温使故赵将李述徇赵、魏，腾又与虎贲中郎将染干津击斩之；温军夺气。
初，温使豫州刺史袁真攻谯、梁，开石门以通水运，真克谯、梁而不能开石门，水运路塞。
九月，燕范阳王德帅骑一万、兰台侍御史刘当帅骑五千屯石门，豫州刺史李邽帅州兵五千断温粮道。当，佩之子也。德使将军慕容宙帅骑一千为前锋，与晋兵遇。宙曰：“晋人轻剽，怯于陷敌，勇于乘退，宜设饵以钓之。”乃使二百骑挑战，分余骑为三伏。挑战者兵未交而走，晋兵追之，宙帅伏以击之，晋兵死者甚众。
温战数不利，粮储复竭，又闻秦兵将至，丙申，焚舟，弃辎重、铠仗，自陆道奔还。（损失惨重。）以毛虎生督东燕等四郡诸军事，领东燕太守。
温自东燕出仓垣，凿井而饮，行七百余里。燕之诸将争欲追之，吴王垂曰：“不可。温初退惶恐，必严设警备，简精锐为后拒，击之未必得志，不如缓之。彼幸吾未至，必昼夜疾趋，俟其士众力尽气衰，然后击之，无不克矣。”乃帅八千骑徐行蹑其后。温果兼道而进。数日，垂告诸将曰：“温可击矣。”乃急追之，及温于襄邑。范阳王德先帅劲骑四千伏于襄邑东涧中，与垂夹击温，大破之，斩首三万级。秦苟池邀击温于谯，又破之，死者复以万计。孙元遂据武阳以拒燕，燕左卫将军孟高讨擒之。
冬，十月，己巳，大司马温收散卒，屯于山阳。温深耻丧败，乃归罪于袁真，奏免真为庶人；又免冠军将军邓遐官。真以温诬己，不服，表温罪状；朝廷不报。真遂据寿春叛降燕，且请救；亦遣使如秦。温以毛虎生领淮南太守，守历阳。
燕、秦旣结好，使者数往来。燕散骑侍郎郝晷、给事黄门侍郎梁琛相继如秦。晷与王猛有旧，猛接以平生，问以东方之事。晷见燕政不修而秦大治，阴欲自托于猛，颇泄其实。
琛至长安，秦王坚方畋于万年，欲引见琛，琛曰：“秦使至燕，燕之君臣朝服备礼，洒扫宫庭，然后敢见。今秦王欲野见之，使臣不敢闻命！”尚书郎辛劲谓琛曰：“宾客入境，惟主人所以处之，君焉得专制其礼！且天子称乘舆，所至曰行在所，何常居之有！又，春秋亦有遇礼，何为不可乎！”琛曰：“晋室不纲，灵祚归德，二方承运，俱受明命。而桓温猖狂，窥我王略，燕危秦孤，势不独立，是以秦主同恤时患，要结好援。东朝君臣，引领西望，愧其不竞，以为邻忧，西使之辱，敬待有加。今强寇旣退，交聘方始，谓宜崇礼笃义以固二国之欢；若忽慢使臣，是卑燕也，岂修好之义乎！夫天子以四海为家，故行曰乘舆，止曰行在。今海县分裂，天光分曜，安得以乘舆、行在为言哉！礼，不期而见曰遇；盖因事权行，其礼简略，岂平居容与之所为哉！客使单行，诚势屈于主人；然苟不以礼，亦不敢从也。”坚乃为之设行宫，百僚倍位，然后延客，如燕朝之仪。（讲究接待礼仪，上纲上线。）
事毕，坚与之私宴；问：“东朝名臣为谁？”琛曰：“太傅上庸王评，明德茂亲，光辅王室；车骑大将军吴王垂，雄略冠世，折冲御侮；其余或以文进，或以武用，官皆称职，野无遗贤。”
琛从兄奕为秦尚书郎，坚使典客，馆琛于奕舍。琛曰：“昔诸葛瑾为吴聘蜀，与诸葛亮惟公朝相见，退无私面，余窃慕之。今使之卽安私室，所不敢也。”乃不果馆。奕数来就邸舍，与琛卧起，间问琛东国事。琛曰：“今二方分据，兄弟并蒙荣庞，论其本心，各有所在。琛欲言东国之美，恐非西国之所欲闻；欲言其恶，又非使臣之所得论也。兄何用问为！”（警觉性很高。）
坚使太子延琛相见。秦人欲使琛拜太子，先讽之曰：“邻国之君，犹其君也；邻国之储君，亦何以异乎！”琛曰：“天子之子视元士，欲其由贱以登贵也。尚不敢臣其父之臣，况他国之臣乎！苟无纯敬，则礼有往来，情岂忘恭，但恐降屈为烦耳。”乃不果拜。（琛一直纠结于礼仪。）
王猛劝坚留琛，坚不许。
燕主暐遣大鸿胪温统拜袁真使持节、都督淮南诸军事、征南大将军、扬州刺史，封宣城公。统未踰淮而卒。
吴王垂自襄邑还邺，威名益振，太傅评愈忌之。垂奏：“所募将士忘身立効，将军孙盖等椎锋陷陈，应蒙殊赏。”评皆抑而不行。垂数以为言，与评廷争，怨隙愈深。太后可足浑氏素恶垂，毁其战功，与评密谋诛之。太宰恪之子楷及垂舅兰建知之，以告垂曰：“先发制人，但除评及乐安王臧，余无能为矣。”垂曰：“骨肉相残而首乱于国，吾有死而已，不忍为也。”顷之，二人又以告，曰：“内意已决，不可不早发。”垂曰：“必不可弥缝，吾宁避之于外，余非所议。”（燕自己出了更大的组织和政治危机，慕容垂顾全大局，不忍互相残杀，选择外逃。评与太后此时不顾国家安危，妒贤嫉能，是燕之罪魁。）
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