417年四月下旬，刘裕终于抵达洛阳，坐镇指挥，准备发动对后秦的最后进攻。随着刘裕的到来，东晋的威信大增，后秦的衰弱已经难以掩饰，战争的胜负局势渐渐明朗。尽管刘裕占据了绝对优势，他并不急于全面进攻，而是希望在最大程度上减少损耗，寻找其他更为省力的路径来分化后秦的防线。

为了达成这一目标，刘裕做出了两个战略安排。首先，他派遣参军戴延之带领一支船队沿洛水向上游进发，试图寻找绕过后秦最后防线——定城的路线。其次，他还启动了预备的后手，令荆襄的沈田子和傅弘之带领部队从武关道进入关中，开辟第二战场，用以迷惑和牵制长安的秦军。

与此同时，曾与刘裕交战的北魏也在五月底展开了新一轮的动向。为了讨好新主子拓跋嗣，齐郡太守王懿向北魏献上了一个建议，称刘裕在洛阳驻扎，可以切断其后路，北魏若能及时出兵，将能不战而克。拓跋嗣对这个提议表示认可，认为若北魏无所作为，会显得像是害怕刘裕，而丧失威名。因此，他命令长孙嵩和叔孙建各带精兵准备，随时待命。

虽然北魏的动静看似雄心勃勃，但实际上不过是做做样子。刘裕在北魏的威胁面前显得从容不迫，毕竟北魏才刚刚在刘裕的攻击下遭受惨败，骨子里还是不敢再与刘裕为敌。因此，北魏虽有所动静，却并未真正采取实际行动，足以证明刘裕的实力令北魏望而却步。

然而，戴延之的探路任务却很快宣告失败。他未能找到有效的替代路线进入关中，只得返回报告。七月时，刘裕决定放弃其他选择，亲自率军至陕城（即三门峡），并带领沈田子、傅弘之等几乎同步攻破了武关，成功打开了通往关中的第二战场。

武关历来是扼守关中的关键所在，且容易防守，然而沈田子与傅弘之的小股部队竟然轻松拿下了这个重要关隘，显示出后秦已无力反抗。后秦国君姚泓在得知消息后，本打算亲自率军御驾亲征，但发现沈田子已悄然进入关中后，只得调集数万兵力赶去试图扑灭这颗“火星”。然而，沈田子的部队本就是作为迷惑敌人的“疑兵”，兵力不多，原本刘裕也并不指望这小股部队能有多大突破，但后秦将大部分军事力量投入到定城防线，结果沈田子意外成功突破了防线。

刘裕得知后立即命令沈田子的亲弟弟沈林子带领增援部队前往支援，确保沈田子的阵地稳固。沈田子和傅弘之面临敌军即将来袭，心里充满了焦虑。面对紧张的局势，两位指挥官意见分歧。沈田子建议主动出击，打击敌人后勤，趁敌未稳先发制人，而傅弘之则认为敌我力量悬殊，贸然出击无异于以卵击石。经过一番讨论，沈田子最终成功说服了傅弘之，决定趁敌人阵脚未稳时迅速发动攻击。

沈田子的战前动员令士兵们异常激动，信心满满，纷纷跃跃欲试，准备一战。战斗爆发后，沈田子带领士兵们成功打破后秦的防线，取得了决定性的胜利。秦军溃不成军，姚泓逃入灞上，而沈田子和傅弘之也趁胜追击，直接向长安进发。

此时，沈林子率领的增援部队终于赶到，但他们发现，沈田子和傅弘之已经大获全胜，自己来晚了。为了不浪费这个机会，他们决定继续追击，趁热打铁，带着沈田子在长安的势力进一步扩展。

另一方面，刘裕在潼关方向也没有松懈，立即调派了将军朱超石与徐猗之合力攻打蒲阪。但在面对后秦的顽强抵抗时，朱超石与徐猗之遭遇惨败，蒲坂依然坚守不下，刘裕不得不调整策略，决定通过豫西通道绕过定城，选择更加隐蔽的水路进攻。

刘裕的计划是让王镇恶率领一支特种部队，借助渭水进行奇袭。这个奇袭计划与魏延的“子午谷奇谋”有相似之处，但由于时势不同，王镇恶的奇袭成功率更高。水路上的“蒙冲”舰队便是经过精心改造的船只，增加了防御性和攻击性，使其能够在水路上快速行进。王镇恶利用这个奇袭计划成功突破了后秦的防线，最终攻入长安，逼迫姚泓全家投降。

至此，后秦终于覆灭，刘裕的大业初步完成。紧接着，刘裕将后秦的所有祭祀品和珍宝送往建康，并进行军队的奖励。此时的刘裕已经显现出他控制局面的能力，但也暴露出他冷酷的一面，尤其是在处理投降的敌军时，刘裕选择了大规模的屠杀，甚至将姚泓亲自送到建康斩首示众。

虽然刘裕在灭秦过程中展现了极大的军事才能，但他对待敌人的手段却显得过于残忍，给自己招来了不小的争议。在成功之下，刘裕并未能获得真正的全社会的认可，这也为后来的历史评价埋下了伏笔。