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刘裕纳其言。由于忌惮刘裕，桓玄便于九月派其从兄卫将军桓谦试探刘裕，桓谦屏退众人，问刘裕：“楚王勋德隆重，四海归怀。朝廷之情，咸谓宜有揖让，卿意以为何如？”刘裕假从其言，回答说：“楚王，宣武之子，勋德盖世。晋室微弱，民望久移，乘运禅代，有何不可！”桓谦闻后大喜道：“卿谓可尔，便当是真可尔”(《宋书。武帝本纪》)。十二月，桓玄逼晋安帝司马德宗让位于己，国号楚。桓玄称帝后，“祸难屡构，干戈不戢，百姓厌之，思归一统”(《晋书。桓玄传》)。刘裕看清了局势，与刘毅、何无忌等共谋反桓之事。从此，拉开了平定桓玄之乱的序幕。元兴三年(404年)二月，刘裕随徐、兖二州刺史，安成王桓修入朝。桓玄见到刘裕，对司徒王谧说：“昨见刘裕，风骨不恒，盖人杰也。”每次游玩集会，都对刘裕态度优礼有加，赠赐甚厚。桓玄妻刘氏有智鉴，对桓玄说：“刘裕龙行虎步，视瞻不凡，恐不为人下，宜蚤为其所。”桓玄说：“我方欲平荡中原，非刘裕莫可付以大事。关陇平定，然后当别议之耳。”于是下诏说：“刘裕以寡制众，屡摧妖锋，泛海穷追，十殄其八。诸将力战，多被重创。自元帅以下至于将士，并宜论赏，以叙勋烈”(《宋书。武帝本纪》)。桓玄以为用这种怀柔政策可以打消刘裕的不满情绪，但刘裕却暗中作了大量准备工作，加紧了起兵的步伐。不久，刘裕以旧伤复发为由，与何无忌同船而回，密谋兴复晋室。于是刘裕与其弟刘道规、何无忌、沛郡人刘毅、平昌人孟昶、任城人魏咏之、高平人檀凭之、琅邪人诸葛长民、太原人王元德、陇西人辛扈兴、东莞人童厚之等共同谋划起兵。时桓修弟桓弘为征虏将军、青州刺史，镇守广陵，刘道规为桓弘中兵参军，孟昶为主簿。刘裕暗中派刘毅至江北，起兵后与二人共杀桓弘；诸葛长民为豫州刺史刁逵左军府参军，刘裕令其杀刁逵，占据历阳；王元德、辛扈兴和童厚之则在京城活动，以为内应。是月，刘裕以游猎为由，与何无忌等人相聚，共有百余人。
第二天清晨，京口(今江苏镇江)城开，刘裕与何无忌等袭杀桓修。刘毅与孟昶等人于广陵(今江苏扬州市)攻杀桓弘。刘裕被推为盟主。传檄文于京城：“夫治乱相因，理不常泰，狡焉肆虐，或值圣明。自我大晋，阳九屡构。隆安以来，难结皇室。忠臣碎于虎口，贞良弊于豺狼。逆臣桓玄，陵虐人鬼，阻兵荆郢，肆暴都邑。天未亡难，凶力繁兴，逾年之间，遂倾皇祚。主上播越，流幸非所；神器沉沦，七庙毁坠。夏后之罹浞、豷，有汉之遭莽、卓，方之于玄，未足为喻。自玄篡逆，于今历年，亢旱弥时，民无生气。加以士庶疲于转输，文武困于造筑，父子乖离，室家分散，岂唯《大东》有杼轴之悲，《摽梅》有倾筐之怨而已哉！仰观天文，俯察人事，此而能久，孰有可亡！凡在有心，谁不扼腕。讳等所以叩心泣血，不遑启处者也。是故夕寐宵兴，援奖忠烈，潜构崎岖，险过履虎。辅国将军刘毅、广武将军何无忌、镇北主簿孟昶、兖州主簿魏咏之、宁远将军刘道规、龙骧将军刘籓、振威将军檀凭之等，忠烈断金，精贯白日，荷戈奋袂，志在毕命。益州刺史毛璩，万里齐契，扫定荆楚。江州刺史郭昶之，奉迎主上，宫于寻阳。镇北参军王元德等，并率部曲，保据石头。扬武将军诸葛长民，收集义士，已据历阳。征虏参军庾赜之等，潜相连结，以为内应。同力协规，所在蜂起，即日斩伪徐州刺史安城王修、青州刺史弘首。义众既集，文武争先，咸谓不有一统，则事无以辑。讳辞不获已，遂总军要。庶上凭祖宗之灵，下罄义夫之力，翦馘逋逆，荡清京辇。公侯诸君，或世树忠贞，或身荷爵宠，而并俯眉猾竖，自效莫由，顾瞻周道，宁不吊乎！今日之举，良其会也。讳以虚薄，才非古人，接势于已替之机，受任于既颓之运。丹诚未宣，感慨愤跃，望霄汉以永怀，眄山川以增厉。授檄之日，神驰贼廷”(《宋书。武帝本纪》)。
刘裕以孟昶镇守京口，自率部众1700余人，进驻竹里(今江苏句容北)。刘裕部初克建康时，桓修司马刁弘率文武佐吏前来救援。刘裕登上城楼对他说：“郭江州已奉乘舆反正于寻阳，我等并被密诏，诛除逆党，同会今日。贼玄之首，已当枭于大航矣。诸君非大晋之臣乎，今来欲何为”(《宋书。武帝本纪》)？刁弘被刘裕唬住，只好收众而退。不久刘毅率部众赶到，刘裕急命他杀了刁弘。刘毅的兄弟刘迈原来也在建康。刘裕起兵讨桓玄后，曾派遣同谋周安穆前去通报刘迈，要他为内应。刘迈为人胆小怕事，他表面敷衍周安穆，内心却不敢应允。周安穆看破了他的心事，心中懊悔，害怕事情会因此泄露，于是急忙赶回报告刘裕。这时，桓玄任命刘迈为竟陵太守。刘迈不知如何是好，准备船只走马赴任。一日夜，刘迈接到了一封桓玄给他的信。信中问道“北府人情云何？卿近见刘讳何所道”(《宋书。武帝本纪》)？刘迈阅信后惊恐万分，以为桓玄已经知道刘裕的阴谋了。第二天一早就把事情全盘托出。桓玄大惊，封刘迈为重安侯，既而一想，刘迈不抓住周安穆，使周安穆得以逃出，于是又把刘迈给杀死。桓玄以扬州刺史桓谦为征讨大都督(参见覆舟山之战)。桓谦等主张迎击刘裕，桓玄则认为：“不然。彼兵速锐，计出万死。若行遣水军，不足相抗；如有蹉跌，则彼气成而吾事败矣！不如屯大众于覆舟山以待之。彼空行二百里，无所措手，锐气已挫，既至，忽见大军，必惊惧骇愕。我案兵坚阵，勿与交锋。彼求战不得，自然散走。此计之上也”(《宋书。武帝本纪》)。桓谦力争出击，桓玄乃遣顿丘太守吴甫之、右卫将军皇甫敷相继自建康北攻京口。桓玄自闻刘裕起兵，甚为忧惧，有人劝慰他说：“刘裕等众力甚弱，岂办之有成，陛下何虑之甚！”桓玄说：“刘裕足为一世之雄，刘毅家无担石之储，摴蒲一掷百万；何无忌，刘牢之甥，酷似其舅。共举大事，何谓无成”(《宋书。武帝本纪》)。
三月，刘裕与吴甫之在江乘(今江苏句容北)遭遇。吴甫之是桓玄骁将，其兵甚锐。刘裕手执长刀，大呼而冲，所向披靡，斩吴甫之。刘裕追至罗落桥(今南京东北)。皇甫敷率数千人迎战刘裕，宁远将军檀凭之与刘裕各率一部，檀凭之战死，其众溃退。而刘裕则进战弥厉，奋勇无比，斩皇甫敷。桓玄闻二将战死，大惧，再遣桓谦及游击将军何澹之屯兵东陵(覆舟山东北)，侍中、后将军卞范之驻军覆舟山以西，合计兵力二万人。刘裕令部队饱食后，弃余粮，轻装进至覆舟山以东，派老弱登山，张旗帜为疑兵，迷惑桓玄。桓玄急调武卫将军庾赜之率精兵出援各军。醒谦的士兵多为北府人，素畏伏刘裕，所以莫有斗志。刘裕与刘毅等将军队分为数队，突击桓谦军。刘裕身先士卒，将士无不死战，以一当百。时值东北风急，刘裕借风纵火，“鼓噪之音震京邑”(《宋书。武帝本纪》)，桓谦大败。桓玄已无意再战，率其子侄乘船沿江南下。刘裕率军进入建康(今南京)，并遣诸将追击桓玄。刘裕入建康后，屯石头城，立留台官，焚桓温神主于宣阳门外，重立晋新主在太庙中，以示自己是东晋的救世主。并诛杀桓氏宗族。桓玄司徒王谧与众人推刘裕领扬州，刘裕心不在此，辞不肯受。乃以王谧为侍中、领司徒、扬州刺史、录尚书事；王谧推裕为使持节、都督扬、徐、兖、豫、青、冀、幽、并八州诸军事、徐州刺史；刘毅为青州刺史；何无忌为琅邪内史；孟昶为丹阳尹；刘道规为义昌太守。刘裕一下重兵在握，这才答应下来。桓玄当权时，接下来的是晋朝廷留下来的烂摊子，史称当时“百司纵弛，桓玄虽欲厘整，而众莫从之”(《宋书。武帝本纪》)。