桓溫第三次北伐（枋頭之戰）， 是在東晉內部權力之爭面臨短兵相接狀態的情況下進行的。 當時， 中原形勢對晉朝講很不樂觀。
興寧年間（363年至365年）， 淮陽一帶失守。 最後， 洛陽城守將見孤城難守， 找了個藉口自己帶兵逃離， 只留下沈勁一人帶區區五百人守城。 （《江南罡風吹浮萍》一文交待過， 沈勁是王敦“逆党”沈充之子， 一直想以身殉國挽回家族聲譽， 他就等著這種“光榮”的機會。 ）
西元365年， 前燕名將慕容恪、慕容垂兄弟率兵進攻洛陽， 守軍寡不敵眾， 城破， 沈勁死節。 不久， 魯郡、高平、宛城又接連被前燕軍隊攻取， 燕軍甚至攻掠到漢水以北地區， 大掠而去。
西元368年（海西公太和三年）， 晉廷加大司馬桓溫殊禮， 位在諸侯王之上。 轉年五月， 桓溫自領徐州、兗州刺史， 率步騎五萬， 從姑孰就出發， 進行他的第三次北伐。
西元369年（晉海西公太和四年）四月，
六月， 桓溫抵達金鄉（今屬山東）， 這時天旱， 河道水淺， 水運困難。 桓溫大軍是坐船沿河道前進的， 這樣做的好處一來是士兵不易疲勞， 二來運糧方便， 三來因為前燕的水軍微弱， 不易受到攻擊。 但河裡要是沒有了水， 這些好處就都享受不到了。 於是桓溫命冠軍將軍毛虎生從巨野澤（當時在今山東境內的一個大湖泊， 後因黃河改道等原因， 今天已不存在）挖掘長達三百里的運河， 將汶水（今大汶水）與清水（古濟水自巨野澤以下別名清水）連接， 引黃河水入清、汶。 這個時候， 桓溫的首席謀士郗超， 向桓溫提出兩條重要建議。
西元369年7月，桓溫首開戰果，攻克湖陸（今山東魚台縣東南），生擒前燕守將甯東將軍慕容忠。燕主慕容暐任命下邳王慕容厲為征討大都督，倉促調兩萬兵馬，與桓溫在黃墟（今河南蘭考縣東南）交戰，大敗，全軍覆沒，慕容厲一個人單馬逃回。隨即，前燕高平太守徐翻向晉軍投降。晉軍前鋒鄧遐、朱序又在林渚（今河南新鄭縣東北）打敗燕軍。慕容暐慌忙任命自己的哥哥樂安王慕容臧接替慕容厲率各路軍馬阻截，但晉軍勢如破竹，慕容臧無法招架，節節敗退。只好又派散騎從侍李鳳前往前秦求救。
七月，桓溫進駐武陽，前燕故兗州刺史孫元起兵回應桓溫，桓溫乘勝進抵枋頭（今河南浚縣東南淇門渡），距離鄴城，已不過百里。鄴城裡的皇帝慕容暐和太傅慕容評聞知大驚失色，已打算逃回故鄉龍城，將中原拱手讓出了（證明郗超並沒有小看他們啊）。在這種情況下，原來那個躲在自己家裡，只想明哲保身的慕容垂，不得不站出來了。前燕帝國畢竟是慕容家數代英傑努力的結晶，其中也包含了父兄和自己的心血，怎能忍心看著它就此就被這幫敗家的親戚們丟光？帝國的高級顧問慕容垂說：“請讓我來打一仗吧，如果我輸了，你們要逃，也還來得及！”本來，慕容暐和慕容評都是非常不願意讓慕容垂掌兵的，但畢竟眼下火都已經燒到屁股了，萬般無奈，只好准了，讓慕容垂接替慕容臧任南討大都督，統率各處馬共五萬人抵擋桓溫。然後，慕容垂緊急上書推薦司徒左長史申胤、黃門侍郎封孚、尚書郎悉羅騰參與軍事。因為處在危難當頭，慕容暐和慕容評也只好准了，但對慕容垂乘人之危任用私黨（在他們看來就是這樣的），心中感到由衷地憤怒。慕容暐好象對五叔的信心也不是很足，所以又派出散騎侍郎樂嵩二度到前秦求救，並極為草率地提出，只要前秦出兵相助，前燕就將包括洛陽在內的虎牢關以西的土地割讓給前秦。既然有這麼大的好處可撈，秦王苻堅遂命大將苟池、鄧羌率兵二萬進至潁川（當時屬前燕，今河南禹縣），以觀成敗。
枋頭是當時黃河上重要的渡口，從這裡往北到鄴城，雖然路程不長，但就再也沒有水道可通了。桓溫到達這裡後，停頓了一下，大概推進太快造成補給有些脫節，也可能希望前燕內部有更多的人回應，象孫元那種情況的。這一停頓之間，慕容垂已進抵枋頭。這兩位用兵大家，沿黃河對峙。兩人的對壘，先進行了一些小規模的前哨戰，給晉軍擔任嚮導的段思（就是大段妃的那位兄弟，大段妃遇害後出逃東晉），與剛剛得到慕容垂提拔的燕將悉羅騰交戰，被悉羅騰生擒。桓溫又派原後趙降將李述出擊燕軍側後，又被悉羅騰擊斬，晉軍的攻勢被阻止。
汶水、清水、黃河這條水運路線，隨著入秋降雨量的減少，果然很快就不出郗超所料的運行不暢了，不過桓溫也是有備用方案的。他早已命令豫州刺史袁真，進攻譙郡（今安徽亳縣）、梁國（今河南商丘），鑿通石門（在今河南滎陽縣），連接睢水與黃河，用以運糧。袁真成功地攻克了譙郡、梁國，但石門一時還未能鑿開。慕容垂小心翼翼地打了幾場小勝，扭轉屢敗之勢，穩住陣角之後，立即將手下大部份騎兵一萬五千人交給弟弟慕容德，讓他越出桓溫之後，緊逼石門，以阻撓晉軍的開鑿，自己仍然留在枋頭牽制桓溫本部。桓溫可能沒有得到這個情報，或者幾次小敗之後，他感到與慕容垂決戰沒有把握，沒有乘燕軍分兵之機出擊慕容垂大本營，還在等待袁真部和補給的到來。
九月，石門會戰。慕容德部擊敗袁真部晉軍，桓溫的備份方案完全失敗。這樣，枋頭桓溫大軍的處境就不大妙了。拖在這裡，糧食只會越吃越少；前進，他又沒有打敗慕容垂的把握。剩下的只能是乘著軍糧還不太緊張的時候全師而退了。九月十九日，桓溫命令焚燒艦船（因為原先過來的河道水位下降，這些船已經開不回去了），和帶不走的輜重，全軍由陸路向南撤退。
前燕眾將得到這個消息，都爭著要追擊，但被慕容垂阻止。他對眾將說：“溫初退惶恐，必嚴設警備，簡精銳為後拒，擊之未必得志，不如緩之。彼幸吾未至，必晝夜疾趨；俟其士眾力盡氣衰，然後擊之，無不克矣”。慕容垂到也沒打算就讓桓溫這麼安安穩穩地回去，但他很清楚，桓溫精通兵法，警惕性很高，一定會以精兵斷後，慢慢撤退，晉軍也沒有打什麼大的敗仗，士卒也不疲憊，糧食也還能支持，就此追擊，勝負難料。總之，桓溫大軍還沒到可以攻擊的時候。等他走出相當路程，特別是眼看就能回到家的時候，防備必然鬆懈下來，快速回奔，所謂歸心似箭，沒有作戰的意志，只想回家，又十分疲勞，那時候就好打了。
《孫子兵法·始計篇》中說：兵者，詭道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠，遠而示之近。利而誘之，亂而取之，實而備之，強而避之，怒而撓之，卑而驕之，佚而勞之，親而離之，攻其無備，出其不意。此兵家之勝，不可先傳也。簡單地翻譯過來，就是說：有能力要裝作沒能力，要打的要裝作不打，打這裡要裝作打那裡，對方貪心就利誘他，對方強大就防備他，對方易怒就挑撥他，對方謹慎就讓他驕傲，對方體力充沛就讓他勞累，對方內部團結就設法離間，要在對方沒有防備的地方，沒有料到的時機進攻。這些原則，被慕容垂毫不吝嗇地送給了桓溫。桓溫的大軍不是不疲憊嗎？那就想辦法讓他們累一點。燕軍放出風來：桓溫撤退路上的河流、水井都已被慕容德軍下過毒。那個時候的技術水準真能製造這樣大劑量而且持久的毒藥嗎？在下深表懷疑，但生性謹慎的桓溫採取了“寧可信其有，不可信其無”的態度，沿途命令士兵“鑿井而飲”。這樣，桓溫的大軍一面撤退，一面充當義務打井隊，黙默地為前燕的基礎設施建設做貢獻，就這樣南撤了七百里。而慕容垂則把步兵留下，只率八千騎兵在後面慢慢地跟著，與桓溫保持著相當的距離。他這樣做，就是要保持已方軍隊的體力，好在大戰時收到以逸擊勞的效果。同時麻痹晉軍，給他們造成燕軍不敢追擊的安全感。在古代，步兵在正常情況下，一天可以行軍50—60裡，當然不是說他們不可以走得更遠，但軍隊行軍要保持一定的隊形，走得快的必須等走得慢的，也不能冒冒失失就往前走，一般先要有探哨證明前方道路安全才能行動。這樣，700裡的路程夠他們走十多天，桓溫的軍隊因為要客串施工隊，走得可能還要慢一點。在這段時間內，也許桓溫本人還能時時如臨大敵，不敢鬆懈，但晉軍的臨戰狀態，卻不可能始終保持。想想看吧，儘管桓大帥天天嚷嚷“狼來了”，要嚴加戒備，可這麼多天過去了，這“狼”就是沒有來。每名兵士都在直覺上感到，他們離燕軍越來越遠了，而離家越來越近了。換句話說，越來越安全了。而且這些日子不是行軍就是挖井，不是挖井就是行軍，他們也越來越累了，這種情況下，還可能只靠主帥的一道命令，就嚴密得無懈可擊嗎？總之，攻其無備的時機已經成熟，而出其不意的打擊地點，慕容垂選擇了襄邑（今河南睢縣）。
儘管歷史習慣稱此戰為“枋頭之戰”，但實際上在枋頭髮生的，只是對峙，真正大戰發生地點，是在襄邑。事先慕容德在桓溫南撤時已離開石門，利用騎兵在機動上的優勢，早早趕到襄邑，設伏以待。本來普通的伏擊對桓溫一般也是不容易奏效的（姚襄就曾伏擊桓溫，反被打得大敗），但慕容垂指揮的追兵就在此時追上晉軍，突然襲擊，將晉軍趕進慕容德的伏擊圈。垂、德配合得如此默契，應該是慕容垂早就設計好的。
此次會戰中，慕容垂部有八千人，慕容德部用於設伏的有四千人，另外那一萬一千名騎兵是否參戰，史書的敘述不太明確。燕軍參戰兵力在一萬二千到二萬三千之間。桓溫率五萬人北伐，雖有小挫但損失不大，此時兵力當在四萬五千以上，兵力上晉軍對燕軍至少有二比一的優勢。但這根本就不是正常的戰鬥，而是養精蓄銳的燕軍對疲憊鬆懈的晉軍發動的一次精心策劃的襲擊。在慕容垂、德兩兄弟的夾擊下，晉軍大潰，陣亡超過三萬人。前秦的援軍苟池、鄧羌二將一看，打落水狗的機會已到，連忙參戰，往潰敗晉軍的屁股後面又狠狠踹了一腳，桓溫再敗，又損兵近萬。不難想像，要是枋頭得勝的是桓溫的話，他們可能連晉軍的毛都不會去碰。
第三次北伐（枋頭之戰），桓溫敗於枋頭，望實俱損，他的地位開始轉折。但這只是情況的一個方面。情況的另一方面，就桓溫在江左積累權力的過程看來，第三次北伐以後，桓溫才取得徐、豫，掃清進入建康的障礙，控制司馬昱，使東晉朝廷一度成為“政由桓氏，祭則寡人”的朝廷。因此，桓溫第三次北伐又是他在江左權力之爭中取得勝利的頂點。但也使得東晉幾十年間再無力北伐。
所以兩難之下，他最終只好選擇了郗超認為的下策。西元369年7月，桓溫首開戰果，攻克湖陸（今山東魚台縣東南），生擒前燕守將甯東將軍慕容忠。燕主慕容暐任命下邳王慕容厲為征討大都督，倉促調兩萬兵馬，與桓溫在黃墟（今河南蘭考縣東南）交戰，大敗，全軍覆沒，慕容厲一個人單馬逃回。隨即，前燕高平太守徐翻向晉軍投降。晉軍前鋒鄧遐、朱序又在林渚（今河南新鄭縣東北）打敗燕軍。慕容暐慌忙任命自己的哥哥樂安王慕容臧接替慕容厲率各路軍馬阻截，但晉軍勢如破竹，慕容臧無法招架，節節敗退。只好又派散騎從侍李鳳前往前秦求救。
七月，桓溫進駐武陽，前燕故兗州刺史孫元起兵回應桓溫，桓溫乘勝進抵枋頭（今河南浚縣東南淇門渡），距離鄴城，已不過百里。鄴城裡的皇帝慕容暐和太傅慕容評聞知大驚失色，已打算逃回故鄉龍城，將中原拱手讓出了（證明郗超並沒有小看他們啊）。在這種情況下，原來那個躲在自己家裡，只想明哲保身的慕容垂，不得不站出來了。前燕帝國畢竟是慕容家數代英傑努力的結晶，其中也包含了父兄和自己的心血，怎能忍心看著它就此就被這幫敗家的親戚們丟光？帝國的高級顧問慕容垂說：“請讓我來打一仗吧，如果我輸了，你們要逃，也還來得及！”本來，慕容暐和慕容評都是非常不願意讓慕容垂掌兵的，但畢竟眼下火都已經燒到屁股了，萬般無奈，只好准了，讓慕容垂接替慕容臧任南討大都督，統率各處馬共五萬人抵擋桓溫。然後，慕容垂緊急上書推薦司徒左長史申胤、黃門侍郎封孚、尚書郎悉羅騰參與軍事。因為處在危難當頭，慕容暐和慕容評也只好准了，但對慕容垂乘人之危任用私黨（在他們看來就是這樣的），心中感到由衷地憤怒。慕容暐好象對五叔的信心也不是很足，所以又派出散騎侍郎樂嵩二度到前秦求救，並極為草率地提出，只要前秦出兵相助，前燕就將包括洛陽在內的虎牢關以西的土地割讓給前秦。既然有這麼大的好處可撈，秦王苻堅遂命大將苟池、鄧羌率兵二萬進至潁川（當時屬前燕，今河南禹縣），以觀成敗。
枋頭是當時黃河上重要的渡口，從這裡往北到鄴城，雖然路程不長，但就再也沒有水道可通了。桓溫到達這裡後，停頓了一下，大概推進太快造成補給有些脫節，也可能希望前燕內部有更多的人回應，象孫元那種情況的。這一停頓之間，慕容垂已進抵枋頭。這兩位用兵大家，沿黃河對峙。兩人的對壘，先進行了一些小規模的前哨戰，給晉軍擔任嚮導的段思（就是大段妃的那位兄弟，大段妃遇害後出逃東晉），與剛剛得到慕容垂提拔的燕將悉羅騰交戰，被悉羅騰生擒。桓溫又派原後趙降將李述出擊燕軍側後，又被悉羅騰擊斬，晉軍的攻勢被阻止。
汶水、清水、黃河這條水運路線，隨著入秋降雨量的減少，果然很快就不出郗超所料的運行不暢了，不過桓溫也是有備用方案的。他早已命令豫州刺史袁真，進攻譙郡（今安徽亳縣）、梁國（今河南商丘），鑿通石門（在今河南滎陽縣），連接睢水與黃河，用以運糧。袁真成功地攻克了譙郡、梁國，但石門一時還未能鑿開。慕容垂小心翼翼地打了幾場小勝，扭轉屢敗之勢，穩住陣角之後，立即將手下大部份騎兵一萬五千人交給弟弟慕容德，讓他越出桓溫之後，緊逼石門，以阻撓晉軍的開鑿，自己仍然留在枋頭牽制桓溫本部。桓溫可能沒有得到這個情報，或者幾次小敗之後，他感到與慕容垂決戰沒有把握，沒有乘燕軍分兵之機出擊慕容垂大本營，還在等待袁真部和補給的到來。
九月，石門會戰。慕容德部擊敗袁真部晉軍，桓溫的備份方案完全失敗。這樣，枋頭桓溫大軍的處境就不大妙了。拖在這裡，糧食只會越吃越少；前進，他又沒有打敗慕容垂的把握。剩下的只能是乘著軍糧還不太緊張的時候全師而退了。九月十九日，桓溫命令焚燒艦船（因為原先過來的河道水位下降，這些船已經開不回去了），和帶不走的輜重，全軍由陸路向南撤退。
前燕眾將得到這個消息，都爭著要追擊，但被慕容垂阻止。他對眾將說：“溫初退惶恐，必嚴設警備，簡精銳為後拒，擊之未必得志，不如緩之。彼幸吾未至，必晝夜疾趨；俟其士眾力盡氣衰，然後擊之，無不克矣”。慕容垂到也沒打算就讓桓溫這麼安安穩穩地回去，但他很清楚，桓溫精通兵法，警惕性很高，一定會以精兵斷後，慢慢撤退，晉軍也沒有打什麼大的敗仗，士卒也不疲憊，糧食也還能支持，就此追擊，勝負難料。總之，桓溫大軍還沒到可以攻擊的時候。等他走出相當路程，特別是眼看就能回到家的時候，防備必然鬆懈下來，快速回奔，所謂歸心似箭，沒有作戰的意志，只想回家，又十分疲勞，那時候就好打了。
《孫子兵法·始計篇》中說：兵者，詭道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠，遠而示之近。利而誘之，亂而取之，實而備之，強而避之，怒而撓之，卑而驕之，佚而勞之，親而離之，攻其無備，出其不意。此兵家之勝，不可先傳也。簡單地翻譯過來，就是說：有能力要裝作沒能力，要打的要裝作不打，打這裡要裝作打那裡，對方貪心就利誘他，對方強大就防備他，對方易怒就挑撥他，對方謹慎就讓他驕傲，對方體力充沛就讓他勞累，對方內部團結就設法離間，要在對方沒有防備的地方，沒有料到的時機進攻。這些原則，被慕容垂毫不吝嗇地送給了桓溫。桓溫的大軍不是不疲憊嗎？那就想辦法讓他們累一點。燕軍放出風來：桓溫撤退路上的河流、水井都已被慕容德軍下過毒。那個時候的技術水準真能製造這樣大劑量而且持久的毒藥嗎？在下深表懷疑，但生性謹慎的桓溫採取了“寧可信其有，不可信其無”的態度，沿途命令士兵“鑿井而飲”。這樣，桓溫的大軍一面撤退，一面充當義務打井隊，黙默地為前燕的基礎設施建設做貢獻，就這樣南撤了七百里。而慕容垂則把步兵留下，只率八千騎兵在後面慢慢地跟著，與桓溫保持著相當的距離。他這樣做，就是要保持已方軍隊的體力，好在大戰時收到以逸擊勞的效果。同時麻痹晉軍，給他們造成燕軍不敢追擊的安全感。在古代，步兵在正常情況下，一天可以行軍50—60裡，當然不是說他們不可以走得更遠，但軍隊行軍要保持一定的隊形，走得快的必須等走得慢的，也不能冒冒失失就往前走，一般先要有探哨證明前方道路安全才能行動。這樣，700裡的路程夠他們走十多天，桓溫的軍隊因為要客串施工隊，走得可能還要慢一點。在這段時間內，也許桓溫本人還能時時如臨大敵，不敢鬆懈，但晉軍的臨戰狀態，卻不可能始終保持。想想看吧，儘管桓大帥天天嚷嚷“狼來了”，要嚴加戒備，可這麼多天過去了，這“狼”就是沒有來。每名兵士都在直覺上感到，他們離燕軍越來越遠了，而離家越來越近了。換句話說，越來越安全了。而且這些日子不是行軍就是挖井，不是挖井就是行軍，他們也越來越累了，這種情況下，還可能只靠主帥的一道命令，就嚴密得無懈可擊嗎？總之，攻其無備的時機已經成熟，而出其不意的打擊地點，慕容垂選擇了襄邑（今河南睢縣）。
儘管歷史習慣稱此戰為“枋頭之戰”，但實際上在枋頭髮生的，只是對峙，真正大戰發生地點，是在襄邑。事先慕容德在桓溫南撤時已離開石門，利用騎兵在機動上的優勢，早早趕到襄邑，設伏以待。本來普通的伏擊對桓溫一般也是不容易奏效的（姚襄就曾伏擊桓溫，反被打得大敗），但慕容垂指揮的追兵就在此時追上晉軍，突然襲擊，將晉軍趕進慕容德的伏擊圈。垂、德配合得如此默契，應該是慕容垂早就設計好的。
此次會戰中，慕容垂部有八千人，慕容德部用於設伏的有四千人，另外那一萬一千名騎兵是否參戰，史書的敘述不太明確。燕軍參戰兵力在一萬二千到二萬三千之間。桓溫率五萬人北伐，雖有小挫但損失不大，此時兵力當在四萬五千以上，兵力上晉軍對燕軍至少有二比一的優勢。但這根本就不是正常的戰鬥，而是養精蓄銳的燕軍對疲憊鬆懈的晉軍發動的一次精心策劃的襲擊。在慕容垂、德兩兄弟的夾擊下，晉軍大潰，陣亡超過三萬人。前秦的援軍苟池、鄧羌二將一看，打落水狗的機會已到，連忙參戰，往潰敗晉軍的屁股後面又狠狠踹了一腳，桓溫再敗，又損兵近萬。不難想像，要是枋頭得勝的是桓溫的話，他們可能連晉軍的毛都不會去碰。
第三次北伐（枋頭之戰），桓溫敗於枋頭，望實俱損，他的地位開始轉折。但這只是情況的一個方面。情況的另一方面，就桓溫在江左積累權力的過程看來，第三次北伐以後，桓溫才取得徐、豫，掃清進入建康的障礙，控制司馬昱，使東晉朝廷一度成為“政由桓氏，祭則寡人”的朝廷。因此，桓溫第三次北伐又是他在江左權力之爭中取得勝利的頂點。但也使得東晉幾十年間再無力北伐。