，慕容超终于出手了，先派公孙五楼、慕容贺赖卢，以及左将军段晖，率步骑兵五万人，驻防临朐，慕容超自己则接着率步骑兵四万人，前往临朐增援，并让公孙五楼率骑兵进驻巨蔑水。
大战正式展开，晋军前锋司令官孟龙符，率先发动攻击，大破南燕军队，公孙五楼仓惶撤退，刘裕乘胜出动战车四千辆，两车相并，在左右两翼展开，掩护步骑兵，缓慢而异常坚定地向北推进。
就在临朐之南，两军主力终于碰面，双方也没那么多废话，直接开打，一直到日过正午，仍难分胜负。
东晋军事参议官胡藩向刘裕建议：“燕国把所有兵力都投入战场，临朐城的防卫力量一定薄弱，我愿率骑兵从小路向城垣发动突袭，定能出奇制胜。”
刘裕于是派胡藩与高级军事参议官檀韶、建威将军向弥，秘密领军绕到南燕背后，进攻临朐城，抵达城下之后，特别宣称是从海上增援而来的东晋远征部队，吓唬守城部队。
临朐城的守军本就力量薄弱，经此一吓，战斗力更加衰退，向弥身披铠甲，首先攀城而上，很快夺取城池。
在城中静待捷报的慕容超，突然得知晋军进城，吓得胆水几乎吐了出来，单人匹马出城，投奔正在城南战场上酣战的段晖。
刘裕知道计谋得逞，下令全军展开猛攻，燕军遭遇惨败，段晖等高级将领十余人被当场斩杀。
慕容超十分狼狈地逃回广固，晋军夺得了慕容超遗留的玉玺、御用辇车，以及在辇车后高高悬挂，象征威严的豹尾。
刘裕也不做休整，清理完战场之后，迅速策动全军向广固进击。