从；江南的门阀大族，虽对他有所忌惮，却也不敢公开反对。但桓温并不满足——他想通过第三次北伐，彻底消灭北方的胡人政权，建立“不世之功”，为自己“篡权称帝”铺平道路。
公元369年，桓温发起了第三次北伐，此次的目标是占据河北、河南一带的前燕政权。前燕是鲜卑慕容氏建立的政权，当时的皇帝是慕容暐，政权掌握在太宰慕容恪、吴王慕容垂兄弟手中。前燕的实力，比前秦、姚襄更强——它占据了中原最富庶的地区，拥有十万大军，且慕容垂是当时北方最杰出的将领之一，擅长骑兵战术。
桓温之所以选择前燕作为目标，一是因为前燕刚经历“慕容恪去世”（公元367年）的权力真空，慕容垂与慕容暐的矛盾逐渐激化，政权内部出现裂痕；二是因为前燕占据了河南的部分地区，威胁到了东晋的北方边境，“伐燕”既能消除威胁，也能获得中原的富庶之地，为日后称帝积累资本。
为了确保第三次北伐成功，桓温做了前所未有的准备：他调集了五万大军，这是东晋建国以来规模最大的一次军事行动；他还联合了前秦，约定“两国夹击前燕，灭燕后，河南之地归东晋，河北之地归前秦”；同时，他开辟了“黄河水运”，通过黄河运送粮食，以解决补给问题。
公元369年四月，第三次北伐正式开始。桓温率领大军，从兖州出发，沿黄河东进，一路势如破竹：在湖陆（今山东鱼台），击败了前燕的将领慕容忠，斩杀燕军三千余人；在金乡（今山东金乡），又击败了前燕的大将慕容厉，攻克了金乡城；接着，晋军渡过黄河，在黄墟（今河南兰考）大败前燕的主力部队，斩杀前燕将领慕容臧，燕军死伤万余人。
前燕皇帝慕容暐吓得魂不附体，赶紧派使者去前秦求救，答应“若前秦出兵相救，愿将虎牢关以西的土地割给前秦”。前秦皇帝苻坚，本想坐山观虎斗，见前燕愿意割地，便派大将苟池、邓羌率领两万大军，前往救援前燕。
与此同时，前燕的吴王慕容垂，主动向慕容暐请战，要求率军抵御桓温。慕容暐虽与慕容垂有矛盾，但此时已无其他将领可用，只得任命慕容垂为南讨大都督，率领五万大军，前往枋头（今河南浚县）迎战桓温。
枋头是黄河中游的重要渡口，也是通往前燕都城邺城（今河北临漳）的必经之路。桓温的大军抵达枋头后，便在此驻扎，准备进攻邺城。而慕容垂则率领燕军，在枋头附近的林渚（今河南浚县东南）驻扎，与晋军对峙。
慕容垂深知桓温的弱点——依赖黄河水运补给。因此，他没有与晋军正面决战，而是采取了“袭扰粮道”的战术：他派大将慕容德率领一万骑兵，绕到晋军的后方，袭扰黄河水运的粮船；同时，他派另一员大将慕容宙，率领两千骑兵，不断袭扰晋军的营地，让晋军士兵无法休息。
桓温的粮道，很快便出现了问题。慕容德的骑兵，多次拦截晋军的粮船，烧毁了大量粮食；黄河的水位也因季节变化而下降，粮船无法顺利通行。桓温的大军在枋头驻留了一个多月，粮食越吃越少，士兵们开始出现饥饿和疲惫的情况。
为了解决粮荒，桓温曾派大将袁真率军进攻谯郡（今安徽亳州）、梁国（今河南商丘），试图开辟新的粮道，却被前燕的将领慕容尘击败。袁真的失败，让桓温彻底失去了获得补给的希望。
公元369年九月，桓温见粮尽兵疲，且前秦的援军即将抵达，只得下令撤退。慕容垂早已料到桓温会撤退，他没有立即追击，而是率领燕军，悄悄跟在晋军后面，等待最佳的进攻时机。
当晋军撤退到襄邑（今河南睢县）时，慕容垂认为时机已到。他率领五万燕军，突然发起进攻，同时前秦的援军也从侧翼夹击晋军。晋军本就因缺粮而士气低落，又遭到燕、秦两军的夹击，顿时溃不成军。士兵们四散奔逃，互相踩踏，