义熙十三年（公元年）二月，就在后秦内讧不断之时，东晋太尉刘裕下达了总攻命令。在彭城一直观察了五个月之久的他，终于率领十万大军离开彭城西进，正式拉开了灭亡后秦的大幕。
他以第三子、时年11岁的彭城公刘义隆为冠军将军留守彭城，东晋朝廷晋升其为使持节，监徐州、兖州、青州、冀州诸军事，徐州刺史、冠军将军如故。
根据刘裕的命令，暂时停留在洛阳一带的晋军先头部队要等到刘裕的大军到来以后，方可一起向西攻击前进，这是因为刘裕还担心晋军会与北魏军开战。王镇恶、檀道济等众将当然没有刘裕那样的大局观，大家一致认为，面前的后秦军往返于潼关、长安之间，早已疲惫不堪，前线战机瞬息万变，“将在外，君命有所不受”，现在正是给予后秦军致命一击的绝佳时机，岂容错过?
王镇恶等将的决策也不用深责，这是因为此时的后秦已经情势大变，原本驻守在洛阳与潼关之间崤函险要的后秦军，因为姚恢的叛乱而被西调，后秦军不得不放弃了崤函险要，仅仅退守潼关。王镇恶等将立即敏锐地捕捉到了战机，以较少的兵力未经激战即顺利突破了崤函险要，直接进抵潼关之下，并趁虚试图攻下潼关。在洛阳休养了三个月的晋军将士们早已按捺不住，求战心切的晋军将士不待刘裕大军的到来，即朝着潼关方向扑来。
东晋龙骧将军王镇恶率军迅速推进到渑池，接着，王镇恶又派遣司马毛德祖进攻蠡城，后秦守军溃散而逃，晋军生擒后秦弘农太守尹雅，谁知尹雅不久就杀掉了晋军看守，逃回了潼关。此时，从渑池一直到潼关之间，后秦军队已经组织不起有效的抵抗，晋军浩浩荡荡朝潼关杀去。
在向潼关行进的途中，在陕城，这支晋军又一分为二，龙骧将军王镇恶率领其本部人马继续朝潼关挺进，冠军将军檀道济、振武将军沈林子则率领其本部人马从陕城以北渡过黄河，进攻襄邑堡，后秦建威将军薛帛逃奔河东（山西夏县）。这当然还是进攻潼关的老套路∶以一部正面进攻潼关，以另一部渡过黄河占领蒲阪，再由蒲阪西渡黄河跃入关中，让潼关天险失去作用。
檀道济、沈林子所部北渡黄河，初战告捷后，即以大部兵力向西，进攻蒲阪。但蒲阪是河东重镇，后秦经营很久，即便是北魏道武帝拓跋珪取得柴壁大捷后，以全师之力也未能攻破蒲阪。虽然晋军作战勇猛，但怎奈蒲阪守备严密，晋军无法攻破。而且渡河以后，檀道济在进攻蒲阪之前，派出一支部队，由将军苟卓北上进攻后秦囤聚军粮的匈奴堡，目的是夺取宝贵的粮食。由于兵力不足，苟卓的这支部队也被驻守此地的后秦宁东将军姚成都击败。
后秦主姚泓对晋军的攻击立即作出反应。他先派武卫将军姚驴解救蒲阪，胡翼度增援潼关，然后又加封姚绍为太宰、大将军、大都督、都督中外诸军事、假黄铖，改封鲁公，侍中、司隶、宗正、节录并如故，朝政大事全部由其做主。姚绍坚决推辞，但姚泓不许。于是，姚绍率领武卫将军姚鸾等人带领五万步骑，进居潼关，阻挡王镇恶之军。而此时已经来到蒲阪城外的后秦姚驴所部，与城内的并州刺史尹昭里应外合，一起夹攻檀道济之军。檀道济见此情形，转攻为守，固守营垒不战。
王镇恶、檀道济等将领的行动，已经使该部晋军陷于十分危险的境地∶首先，从全局上看，刘裕的大军刚刚离开彭城，原本进攻中原的数路军队，因为进抵洛阳而失去了原有的层次，整个晋军防线已经成为一字长蛇。自西而东是洛阳、荥阳、石门、滑台等若干个孤立的据点，在这些孤立的据点背后毫无纵深，如今，王镇恶等人又离开长蛇的一端洛阳西去，让这一薄弱的长蛇战线更显凶险。一旦北魏与后秦联手，北魏军队突破黄河防线，后果将不堪设想。
其次，从西进局部看，担任晋军前锋的各位将领显然是因为前期的屡次胜利和神速推进，过低地估计了对手的实力，他们以为关中之敌也会像关东之敌一样，遇到晋军要么望风溃散，要么弃城投降。殊不知，由于北魏与后秦和亲、大夏一直侵扰关中，后秦的兵力主要放在关内，晋军前期遇到的后秦军并非后秦军中的精锐部队。基于轻敌的原因，人数本来就不多的晋军前锋部队，又一再分兵，很容易被各个击败。
再次，从一字长蛇战线上看，在晋军檀道济部兵临蒲阪城下的时候，晋军沿着黄河的防线已在北魏军队的压力下，出现了松动。二月二十九日，荥阳的晋军守将傅洪献出了虎牢关，投降了北魏。北魏帝国军队随时可以突入洛阳，将王镇恶等人的军队与刘裕的大军一分为二，也可以与后秦协同，将王镇恶等人的晋军杀得片甲不留。
万幸的是，此时的北魏明元帝拓跋嗣一直在犹豫，北魏初期的名将大多都在道武帝晚年被杀，剩下的都是一些循规蹈矩之人；而后秦此时则惊魂甫定，姚泓、姚绍也失去了对战场的判断力，没有抓住战机，以优势兵力攻击黄河以南或者以北的敌人。
此时的沈林子也意识到了问题的严重性，他对檀道济建议说∶“如今，蒲阪城墙坚固，短时间无法攻破，不如离开此地，先专心进攻潼关一地。潼关天险，是地形险要之地，王镇恶一支孤军，形势非常不利。如果姚绍到此，就难办了。我们如果攻克了潼关，蒲阪的尹昭将不战而降。”檀道济采纳了沈林子的意见，改变了原有计划，主动放弃进攻蒲阪，又渡过黄河南下，于义熙十三年三月在潼关与王镇恶所部会师。
同时，后秦太宰姚绍率领后秦大军来到潼关，将王镇恶、檀道济、沈林子之军层层包围，企图一举将这支晋军消灭掉。
晋军悬军深入，粮运困难，经历了蒲阪、匈奴堡之败，又看到姚绍大军前来，晋军上下都非常恐惧。檀道济与众将商议，打算先率军渡过黄河，暂避后秦军锋芒，也有人说抛弃辎重，东逃寻找刘裕大军。在这紧要关头，沈林子手按佩剑，说道∶“相公勤王，志清六合，许、洛已平，关右将定，事情成败，在于前锋。如今，丢掉将要胜利的趋势，抛弃将要成功的基业，敌人人数很多，即使想要逃回，也是不可能的!下官受命作为前锋，立下誓言要竭尽全力，今日之事，我自能为将军办成!”沈林子说毕，命令自己麾下的数百人将营垒的水井填埋，焚烧了营舍，表示了视死如归的决心和勇气，然后他亲自率领这支由数百名壮士组成的部队，朝后秦军阵脚的西北杀去。
沈林子的区区数百之众置身于后秦五万大军之中，无异于沧海之一粟，原无关大局。然而，正是在沈林子这支敢死队的冲击下，后秦军西北阵脚稍微松动了一下，这种松动很快像瘟疫一样波及全军。就在这一瞬间，晋军全军悉数压上，后秦军整体向后退却，并最终形成了大溃败，被晋军俘虏了上千人，晋军缴获了后秦军大量的军资，取得了至关重要的一次胜利，也极大地鼓舞了全军的士气，扭转了不利的态势。
此战后，晋军占领了潼关，战败后的姚绍率军退守定城（陕西华阴东），他对众将说∶“檀道济等人悬军深入，兵力不多，在此最多不过坚壁不战，等待刘裕的大军。我派出一支部队远去阕乡（河南灵宝西北），切断他们的粮道，不出一个月，自然能够将其全歼。晋军前锋战败后，刘裕自然就无计可施了。”但胡翼度反对道∶“军势应该集中而不可以分散，如果偏师不利，军心将会大乱，岂能再战?”
姚绍的这一决策是正确的，但他判断晋军不敢主动出战，则并无根据。晋军面对后秦大军自然不会主动发起攻击，但不代表不会主动攻击分散以后的后秦军。基于上述判断，尤其是在胡翼度的反对下，姚绍打消了另外分出一支部队远去切断粮道的计划，而是命令武卫将军姚鸾率领精锐部队守住一处险要之地，以切断大路的晋军粮道，并令辅国将军胡翼度率领部队驻守东原，为椅角之势，与晋军大营距离很近。
从渑池入关，原本有两条道路，一条是从回黔阪往西，汉代以前都是从这里经过，被称为南路；第二条是大路，大路是汉末曹操讨伐关中诸将的时候，感到南路太险恶了，就在北面另外开凿了一条大路，被称作北路或者大路。由于主帅姚绍判断晋军不敢主动发动攻击，因此，姚鸾的这支奇兵并没有采取隐蔽战术远离晋军大营，而是明目张胆地卡在大路之上。
姚鸾命令尹雅率军与檀道济、司马徐琰所部在潼关以南交战，尹雅再次战败被擒，被送到刘裕那里，刘裕想到他上次被俘后又脱逃，将要诛杀他，尹雅说∶“前不久，我被你们抓获就应被处死，侥幸逃脱，今日被杀，实在是心甘情愿。不过，汉族与我们虽然不同民族，但君臣大义是一样的，晋朝以大义作为军事行动的口号，难道独独不允许我后秦国有忠于社稷的忠臣吗”刘裕听了，就又释放了他。
三月四日，沈林子率领部队衔枚夜袭后秦军固守的城池，后秦军猝不及防，姚鸾被斩杀，投降的数千后秦军全被活埋。据《晋书·姚泓载记》记载，此战被杀的后秦军共计九千余人。在东原驻守着的胡翼度部队，本与姚鸾之军相互策应，但是，在姚鸾被攻击的时候，胡翼度却未发兵援救。胡三省认为，此时的后秦军已经成为惊弓之鸟，不敢救援。其实这与晋军采取夜袭战，并迅速结束战斗有关。
当时，众将上报战功都夸大其词，虚报战果。只有沈林子据实上报，刘裕给其写信询问缘由，沈林子回答∶“王者之师，本有征无战，岂可再增加斩获人数，自我夸耀!国渊据实被赏，魏尚虚报受罚，这都是前车之鉴，后事之师。”刘裕非常赞赏。这次沈林子又全歼了姚鸾之军，捷报传来，刘裕专门给他写信道∶“你接连取得胜利，我高兴得无以言表。后秦军队既然接连遭到惨败，我猜想他们不会坚持多久了。”
一计不成，姚绍又生出一计。他又派遣抚军将军姚赞率军屯驻在黄河河中的小岛之上，以切断晋军的水路，并派遣恢武将军姚难率军从蒲阪运输军粮接济姚赞的部队。
姚难的运输队行至香城（陕西大荔东），被晋军击败。当时，后秦河北太守薛帛在河曲投降了晋军，而姚谌守尧柳（陕西蓝田南），姚和都则前往河东讨伐反叛的薛帛。当听说晋军进攻姚难的消息后，当即前去营救。后秦军抵达战场时，姚难已经战败，后秦军趁势将河曲的晋军别部击败，进屯蒲阪。再说姚赞，姚赞率领的后秦军营垒尚未构筑好，沈林子再次率军发动突击，接连将后秦军战败，姚赞骑马仓皇逃脱，返回定城。
晋军的这支先头部队在潼关附近逐渐站稳了脚跟，秦晋两军陷于相持。
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