桓玄所有的軍政敵手俱已除去，裝模作樣地罷黜奸佞，擢拔人才。沒過多久，就驕奢淫逸，政令無常。又值三吳大饑荒，戶數都已減半，有的郡縣甚至沒有人煙。糧食奇缺，富戶人家往往是身著綾羅綢緞，懷抱黃金美玉餓死。就連皇帝也常常吃不飽飯，挨凍受餓是經常的。
桓玄的野心極度膨脹，加緊了篡奪皇位的行動。他派親信幕僚卞範之知會安帝，如不主動禪位，就有生命危險。元興二年十一月，卞範之扶著不會寫字的安帝的手，寫下了禪位詔書。在大殿上，王司徒捧出玉璽，交到桓玄手中，安帝宣布禪位。桓玄正式登基，國號曰楚。把安帝安置到潯陽，封為固安王。當上了皇帝，桓玄自然要作威作福。大小官吏盡皆由他任免，就連九品官都得由他欽定。桓玄還酷愛遊獵，一日三獵都是尋常事。他還大興土木，營造宮殿禦苑。對工匠極其苛刻，稍有疏漏，即判死罪。整個是朝野動蕩，民不聊生。
元興三年〈404〉四月，劉裕召集劉毅、何無忌在京口相聚，正式提出推翻桓玄，共襄義舉。隨即三人在三地同時宣布起義，三路兵馬，兵鋒直指建康。劉裕義旗一舉，全國紛紛響應，很快集聚到幾十萬人。桓玄心虛不敢正麵迎戰，急忙挾持著司馬德宗，乘船沿長江西逃到江陵。劉裕率軍緊追不舍，與桓玄軍隊在桑落州激戰，桓玄大敗虧輸。桓玄繼續引兵西逃，到達崢嶸州布防。他打算在此扭轉局麵，以眾擊寡，打敗劉軍。
當時，劉裕人馬由於緊追疾進，兵力不過一萬人。而楚軍多達兩萬，是劉軍的兩倍。劉裕部下都未免怯戰。
劉毅見此情況諫言道：“大將軍，敵眾我寡，如果畏懼不前，敵人必有所乘。桓玄徒有雄豪之名，其實他膽小如鼠。前番桑落州大戰，也是敵眾我寡，不也把楚軍打得大敗。楚軍新敗，軍心不穩，我軍正可乘勢前進，兩軍相逢勇者勝，願大將軍勇猛進攻。”
“將軍之言正合我意，趁敵人立足未穩，向楚軍發起猛攻。”劉裕率先衝向敵陣。主帥帶頭，將士英勇。楚軍方要埋鍋造飯，怎禁得劉軍衝殺，登時大亂。劉毅更是采用火攻，楚軍落荒而逃，連夜挾帶安帝逃進江陵。桓玄本想休整一夜後，再帶著安帝逃向漢中。不料劉裕根本不給他喘息之機，連夜發動了攻城戰鬥。楚軍毫無鬥誌，轉眼城破，桓玄此時也顧不得安帝了，把他丟在江陵，自己帶著百餘名親信，乘馬要搶出城門。怎料到楚軍兵將爭相逃命，互不相讓。一員牙將嫌桓玄礙事，幾乎用刀把他砍死。幸得隨從保護，他們才得以出城。到達江邊上船時，桓玄身邊僅剩卞範之等十數人。
桓玄乘船沿江行駛，到達枚回州時，偏偏遇上毛裕之的幾百人的劉軍部隊。見是桓玄乘船，毛裕之下令放箭，一時間箭如雨下。親信丁仙期、萬蓋齊用身體掩護，二人均身中數十箭而死。桓玄本身也中箭受傷，劉軍益州都督馮遷抽出佩刀上前，桓玄拔下頭上珍貴的玉導遞過去：“將軍，隻求留朕一命。”
馮遷回道：“隻要爾頭，不要財物。”手起刀落，桓玄人頭落在船上。
劉裕命將桓玄首級懸於建康城門示眾。
至此，桓玄建立的楚國，僅存在一年四個月，便覆滅了。
義熙元年三月，劉裕護送司馬德宗回到建康，這個被迫禪位一年多的傀儡皇帝又恢複了皇帝位。他當即降旨劉裕，都督中外諸軍事。劉裕掌握了東晉的軍政大權。