再說這幾個月來，盧循也沒閑著，一直在尋陽片刻不停地重組軍隊，重修戰船。因為荀林、徐道覆都打了敗仗，他雖盡了最大努力，也沒能恢複進軍建康時的實力，但也還是湊起了數萬大軍，兵力仍然可觀。又見劉裕雖然出師，但一個多月過去了，現在才走到雷池，行軍好似蝸牛爬，盧循經過一番仔細分析，認為劉裕可能也有些怯戰。是啊，仔細想想以往的經曆，情況也並不太悲觀，雖然讓劉裕扁了這麼多次，但次次都是陸戰失利，至於打水戰，還沒有輸過嘛！
基於這個判斷，盧循與徐道覆商議後，決定向東出擊，與劉裕在水上決戰，如果取勝，就可一掃屢敗的晦氣，再次進攻建康。為了防止劉裕守在雷池水寨中不出來，依靠水陸協同作戰抵消水戰不強的劣勢，盧循揚言：將不攻雷池，直接沿江而下，進攻建康，攻其必救，這樣劉裕就非得出水寨與我軍決戰於水上了！
劉裕一聽到這個傳言，就知道盧循準備決戰了。事實和盧循的設想有一點差別，劉裕行動遲緩的原因並不是怯戰，正相反，他對打贏這一仗信心十足。不過劉裕還是有一點擔心，他擔心的原因要是說出來，估計能氣死徐道覆（也太不把我們當回事了）：按照劉裕的計劃，盧循、徐道覆戰敗後應該往南逃，去鑽他布好的大口袋，萬一這倆老朋友一時心血來潮往東逃，出長江去舟山根據地，那邊並沒有相應的準備，事情就有些麻煩了。為此，劉裕抽出二百艘戰船，命王仲德率領前往下遊的吉陽（今安徽東至）設立封鎖線。那裏長江的航道比較窄，王仲德將戰船一字排開，橫斷江麵，阻斷盧、徐可能的東逃之路。即將開戰之前，還抽出這麼多兵到非交戰地域，不知是該說劉裕輕敵呢，還是盧循、徐道覆已經不值得他重視了呢。
布置完以後，十二月一日，劉裕移軍到雷池東岸。第二天，盧循、徐道覆大軍傾巢出動，從尋陽出發，沿長江而下。沒過多長時間，大江之上就布滿了盧循的戰船，而且後邊還在源源不斷地冒出來，從頭看不見尾，兵勢頗盛。根據慣性思維，盧循認為晉軍戰船較小，所以他準備采用的戰法是撞擊，將樓船每兩艘用鐵鎖連在一起，加強撞擊時的力量（分明就是龐統的連環計）。
麵對盧循大軍的來犯，劉裕先派人準備大量火攻用具，設伏於西岸（關於這次戰役發生的具體地點，史書的記載有些模糊。這個西岸，可能是指雷池西岸，如是在長江內，此段長江差不多平行於緯度線，似應記成南岸或北岸。故此役的主戰場可能就在雷池，以下的敘述基於這個推測，僅供參考）。
劉裕先命令航速快的鬥艦出擊，且戰且走，將盧循水軍誘入雷池。待盧循水軍進入雷池，劉裕已率晉軍水軍在其東麵列陣完畢。布置妥當後，劉裕親自敲響戰鼓，揮動令旗，指揮晉軍全力迎戰。由於之前盧循軍在水戰上曾經屢次打敗晉軍，此時聲勢又頗為浩大，晉軍不少將領仍有些怯戰，右軍參軍庾樂生登上戰船上之後，拒絕執行劉裕的命令，堅決不前進。劉裕二話不說，立即命人將庾樂生斬首，這下諸將再不敢遲疑，紛紛踴躍向前。
此時晉軍新戰船的質量已不遜色於盧循軍，更配備了大量當時的先進武器——萬鈞神弩，用它打穿盧循軍戰船上的船板就像用手指捅破窗戶紙。這種無堅不摧的威力，讓盧循的士兵深受震撼，懼意頓生。同時劉裕親自坐鎮中軍，晉軍將士全都奮力攻擊，此時刮起東風，戰不多時，盧循軍便受到壓製，漸漸被逼得步步後退，逐漸靠近西岸。早已在西岸等候多時的晉軍步騎兵待盧循的戰船近岸，立即衝出，用準備好的縱火器具投向這些戰船。盧循軍船大，又有鐵鏈連鎖，在近岸的淺水區越發行動不便，頓時被紛紛點燃，變成一個個大火炬，整個戰場都被遮天蔽日的煙霧籠罩。曹操在赤壁犯下的老錯誤盧循又犯了一次，結局也相同，這些船上的士兵哪裏還有什麼戰意，不是被燒死，就是跳水逃生。但岸上都是晉軍，又能往哪兒逃？那些還沒有被燒著的戰船已顧不得落難的戰友，慌忙掉頭，向尋陽方向逃跑。劉裕乘勢指揮水陸大軍緊緊追趕，盧循的敗軍一路拋下無數的沉船和屍體。直至深夜，晉軍停止追擊，盧循等人才逃回尋陽。