王镇恶受命进攻长安，他率领水军乘坐蒙冲小舰在渭水中逆流而上，驾船的人都在战船里面，后秦国人看见船舰前进却没有看见驾船的人，都十分惊讶，认为这件事情很神奇。
凌晨时分，王镇恶抵达渭桥，命令战士们吃饱喝足以后，全部手持兵器登岸，最后登录的人斩首。士兵们登录完毕后，因渭水水流湍急，东晋的战舰全部随波东下，倏忽之间就不见了踪影。
当时姚泓统帅的驻扎在长安的军队还有几万人，王镇恶向士兵们宣告说：“我们的亲人和家园都在江南，这里是长安北门，离故乡有万里之遥。现在，战船、衣服、粮食都飘走了，今天我们进攻，胜利了可以建功立业，失败的话，我们连尸骨都回不了家，没有第三条路可以走，与大家共勉吧！”
说完，王镇恶身先士卒，冲在最前面，士兵们士气高涨、奋勇争先，在渭桥大败后秦姚丕的军队。姚泓想率兵救援，却被姚丕的败兵冲击践踏，不战自溃。姚谌等人全部战死，姚泓单人匹马逃回皇宫。
王镇恶的军队一鼓作气从长安的平朔门冲进城，姚泓和姚裕等率领几百名骑兵逃奔石桥。姚赞听说姚泓战败，急忙率军赶来救援，可是，后秦军心已经大乱，士卒们四处逃散，胡翼度也向刘裕投降。
姚泓见大势已去，打算出城投降，他的儿子姚佛念年仅十一岁，对父亲说：“晋人势必要发泄他们的欲望，我们即使投降也难免一死，不如自杀罢。”姚泓心里痛楚，没有回答，姚佛念见父亲犹豫，自己登上宫墙，跳下摔死。姚泓携妻子儿女、文武百官前往王镇恶的大营投降，王镇恶把他们交给部下关押。
长安城中的汉人和夷人共有六万多户，王镇恶进城后宣扬东晋的恩德，加以安抚，号令严明，令百姓安居乐业。
九月，刘裕抵达长安，王镇恶在灞上迎接他。刘裕夸奖他说：“是你帮助我完成了霸业啊！”王镇恶拜了又拜，说：“这全仰赖您的英明指导和威望，还有各位将领的努力，镇恶何功之有啊！”
刘裕哈哈大笑着说：“你这是要学习冯异吗！”（冯异，东汉开国名将，云台二十八将第七位。当时跟随刘秀的开国将领们，常常在一起聊天夸耀战功，每当这时，冯异总是一个人默默走开，后来常用来指居功不自傲的将领。）
其实，王镇恶一向贪财好利，后秦府库十分丰富，王镇恶私自盗取的财物不计其数，刘裕因他功劳很大，所以不予过问。
嫉妒王镇恶的人很多，有人私下里向刘裕汇报说：“王镇恶私藏了姚泓的御用辇车，可能会有异心。”刘裕暗中派人调查此事，调查结果是王镇恶把辇车上装饰用的金银珠宝全都剔光了，把辇给当成破烂给扔到城墙外面去了，刘裕听说后，这才放心
刘裕下令没收后秦宫室祭祀的用具、浑天仪、指南车等等，全部送往建康，其余金银玉石、绫罗绸缎、稀世珍宝全都赏赐给将士。
后秦平原公姚璞、并州刺史尹昭献出了蒲钣城投降，东平公姚赞率领皇室一百多人，前往刘裕的大营投降，刘裕把他们全部处死，然后把姚泓送到建康，绑到市井刑场斩首。
刘裕又提议迁都洛阳，王仲德说：“非常之事，本来就不是寻常之人所能接受的，一旦迁都，必然引起举国惊骇骚动，如今军队在外征战已久，人心思归，暂时不能提出迁都的计划。”刘裕这才作罢。
后秦姚氏乃是羌人，羌族部落的部众十余万口，向西逃奔到陇上，沈林子追击他们直到槐里，俘虏数以万计。
北凉国主沮渠蒙逊听说刘裕灭掉了后秦，又怕又怒，校郎刘祥进宫向他奏事，沮渠蒙逊暴跳如雷地说：“你听说刘裕入关，还敢穿得如此漂亮！”然后下令将他推出斩首。
夏王郝连勃勃在刘裕还在讨伐后秦的时候，就对文武百官说：“姚泓不是刘裕的对手，而且他的兄弟们纷纷背叛，怎么还能抗拒别人！刘裕定能夺取关中，可是，刘裕自己也不会长久留在关中，最后还得回到江南，留下子弟和战将守卫在那里。到那时，我们再去夺取关中，就像拾取一根稻草一样容易。”
于是，他厉兵秣马，训练士卒，随后，进兵占据了安定城，后秦岭北的各郡县、军事重镇、戍所纷纷投降了夏国。
刘裕派人出使夏国，写信给郝连勃勃，相约为兄弟之国。郝连勃勃命皇甫徽提前代写一封回信，暗地里先背诵下来，然后当着刘裕使臣的面，口授舍人命他书写。刘裕看到信后，叹息着说：“我比不上他。”
之前从东晋流亡到后秦的司马休之、司马文思、鲁轨等人，以及桓温的孙子等桓氏族人，又全部投降了北魏司徒长孙嵩。后秦匈奴堡守将姚成都和他的弟弟姚和都也献出城池投降了北魏。
北魏国主拓跋嗣下诏，声称民间百姓凡是救出姚氏子弟送到平城的人，都重重有赏。不久，司马休之死在北魏，刁雍上书请求到南部边疆报效北魏，拓跋嗣同意了。刁雍在黄河、济水之间集结部队，骚扰东晋所属的徐州、兖州，刘裕派兵讨伐，无法获胜。
刘裕攻克长安后，晋安帝司马德宗下诏封宋公刘裕为宋王，采邑增加十个郡，刘裕再次辞让了，没有接受。
十一月初三，在收到刘裕北伐胜利的消息后，在病床上苦苦支撑的东晋左仆射刘穆之露出最后一丝笑容，他再也支撑不住，带着一身的疲惫撒手人寰，终年五十八岁。
消息传到长安，刘裕震惊悲痛，痛哭不已，一连几天都吃不下饭。刘裕本打算留在长安，继续征服西北，可刘穆之去世后，朝中没有可以托付的人了，刘穆之的继任者徐羡之处理事情的能力远不如刘穆之周到细致，于是朝中大小事务都要请示千里之外的刘裕。刘裕不堪其烦，加上将士长期征战思念故土，最后只能决定东返。
刘裕任命他的次子，年仅十二岁的刘义真坐镇长安，都督三州军事，又任命王镇恶为司马，兼任冯翊太守；沈田子、毛德祖都为中兵参军，沈田子兼任始平太守，毛德祖兼任秦州刺史，驻守关中。
之前，陇上流亡到关中寄居的流民，都希望东晋军队乘胜西上，光复故土，等到刘裕设置东秦州，知道刘裕没有继续西上的意图，都极为失望。
