劉裕說：“大軍已越過險要，士兵們都有拚死作戰的決心；田地裏有充足的糧食，我們不必為缺糧而擔憂。我們如今已勝券在握。”
弩
六月十二日，劉裕抵達東莞。慕容超之前已指派公孫五樓、賀賴盧以及左將軍段暉等人率領步、騎兵共5萬人駐紮在臨朐，聽聞東晉部隊已越過大峴山，便親自率領步、騎兵共4萬人前去迎戰，而且指定公孫五樓領騎兵占領巨蔑水。晉軍前鋒孟龍符與公孫五樓展開激戰，將他打得落花流水，公孫五樓撤退逃走。
劉裕用4000乘戰車擺在兩邊作為左右兩翼，從容不迫向前推行，在臨朐城南邊與南燕軍隊交戰。太陽快要落山了，還沒分出勝負。
參軍胡藩對劉裕說：“南燕出動全部人馬與我們交戰，臨朐城必定空虛。我願意帶奇兵突襲這座城池，這是韓信用來打敗趙國的方法。”
劉裕就派胡藩和谘議參軍檀韶、建威將軍向彌各自領兵悄無聲息地穿到南燕軍隊的後麵，進攻臨朐城，自稱是從水路趕來支援的輕裝部隊。向彌身披鎧甲率先登上城牆，於是攻克了臨朐城。
慕容超聽說以後大吃一驚，單人匹馬趕到城南去找段暉。劉裕乘勝追擊，南燕軍隊大敗，段暉等10餘名大將被斬殺。慕容超逃回京城廣固，晉軍繳獲了他向征皇位的東西，比如玉璽、車駕等。劉裕乘勝追擊敗兵，一直追到廣固。
十九日，攻下了廣固城的外城，慕容超率軍退入內城堅守。劉裕修築了長長的圍牆，形成包圍圈；圍牆有三丈高。
慕容超派尚書郎張納往後秦求救，並且赦免了桂林玉慕容鎮，慕容鎮認為尚書令韓範一向為後秦所看重，應該派他去搬救兵。慕容超聽從了。
七月，南燕尚書垣尊和他弟弟京兆太守垣苗偷偷歸降東晉，劉裕任命他們為行參軍。垣尊、垣苗都是慕容超平素所寵信的人。
有人對劉裕說：“張綱心思巧妙，倘若能請他來建造攻城器具，廣固城一定可以攻克。”
正好張綱從長安回來，太山太守申宣抓住了他，送到劉裕那裏。
劉裕讓張綱登上樓車，站得高高的，讓他繞著城對城裏的人喊：“夏王劉勃勃打敗了後秦軍隊，因此後秦無法援救你們。”城中將士聽了，全都大驚失色。
張綱為劉裕設計製造的攻城用具，都是巧奪天工。慕容超大怒，將張綱的母親吊在城牆上，把她五馬分屍了。
東晉每次發兵增援，或者派遣使者前來，劉裕總是在前一天晚上暗地派兵去迎候。第二天，旌旗搖曳、鑼鼓喧天到來，讓敵人以為來了很多軍隊。北方的百姓帶著物資和裝備歸附劉裕的，每天都有上千人。
晉軍對廣固城進行更為凶猛的進攻，南燕大臣張華、封愷都先後被劉裕俘獲。慕容超表示願意割讓大峴山以南的土地以示向東晉臣服。劉裕沒有答應。
此前，慕容超派遣尚書令韓範向後秦請求救兵，後秦文桓帝姚興派遣使者對劉裕說：“慕容氏是我們的友好鄰邦。現在晉對他們大舉侵犯，我們秦已經派遣10萬鐵騎駐紮在洛陽，晉軍如果不撤軍，就別怪我們不客氣了。”
劉裕把後秦的使者叫來，對他說：“告訴你們姚興：我戰勝燕後，休整三年，然後就要去奪取你們的關中、洛陽。今天你們如果想要送羊入虎口，那就快點來吧！”
劉穆之聽說有後秦使者來，便騎馬進去見劉裕，但是使者早已離去。劉裕把自己說的話告訴了劉穆之。
劉穆之埋怨他說：“平日凡事都一定讓我參與討論。如今事關重大，本應當仔細考慮，你為什麼這麼快就答複他呢？你的話不但不會讓敵人害怕，反而會激怒他們。如果廣固還沒有攻下，而羌族的敵人又突然到來，我們該怎麼辦呢？”
劉裕笑著說：“這就是用兵的奧妙，你是無法體會的，所以才沒跟你商量。要知道兵貴神速，他們倘若真想救助，一定害怕我們知道，哪裏還會先派人將這些告訴我們呢？此乃故弄玄虛！晉軍不出征已經很久了，羌人看見我們討伐三齊之地，心裏早就開始害怕。他們自保都來不及，根本無法顧及他人！”