北伐前燕，兵败枋头
兴宁二年三月，前燕将李洪侵许昌，大败晋军于悬瓠（今河南汝南县）。桓温使西中郎将袁真、江夏相刘岵通水运，自己率舟师进至合肥，准备北伐。五月，晋廷又以桓温为扬州牧、录尚书事，遣侍中颜旄宣旨，召桓温入朝参政。桓温以中原尚未恢复为由推托。朝廷不许，再次征桓温入朝。桓温军至赭圻（时属宣城郡，今安徽宣城附近），晋廷又诏尚书车灌止之，桓温遂城赭圻而居之，辞录尚书事不受，遥领扬州牧。当年，桓温移镇姑孰，转以其弟桓豁监荆、扬、雍州军事、领护南蛮校尉、荆州刺史、假节，右将军号如故，镇守荆州。其时桓温权倾天下，威势震主，既镇姑孰，遥控朝政，四方州牧皆遣上佐纲纪致敬[45]。不久，哀帝死，桓温北伐之举暂时搁置。
海西公太和三年（368），晋廷加桓温殊礼，位在诸侯王之上。
太和四年，桓温在土断之后“财阜国丰”的基础上，第三次出兵北伐，这次的进攻目标是前燕。
这年三月，桓温请与徐、兖二州刺史郗愔、江州刺史桓冲、豫州刺史袁真等讨伐前燕。时郗愔所领徐州，其民多劲悍，为精兵所聚之地。桓温常说：“京口（徐州治所，今江苏镇江市）酒可饮、兵可用”[46]，很不愿意让郗愔居于京口。这时，郗愔听从其子郗超之计，写信给桓温，自称老病，不堪军旅，请桓温统率自己所领之兵，并乞闲职自养。桓温见信大喜，即刻转郗愔为会稽太守，自己并郗愔之兵，又自领平北将军、徐兖二州刺史，实力大增。
四月，桓温率桓冲、袁真等步骑五万从姑孰出发北伐。朝中百官皆来送行，“都邑尽倾”。大军行经金城（东晋侨置琅邪郡治，在今江苏句容县北），见己昔为琅邪太守时所植柳树皆已长大，感慨万分，说：“木犹如此，人何以堪！”攀枝执条，泣然流涕。大军继续北进，过淮、泗，踏上北土。桓温与将佐僚属登上楼船眺望中原，慨然说：“遂使神州陆沉，百年丘墟，王夷甫（王衍）诸人不得不任其责！”[47]时正大旱，水道不通，参军郗超劝阻桓温说：“道远，汴水又浅，恐漕运难通”[48]。桓温不从。六月，桓温大军进至金乡（今山东金乡），桓温命冠军将军毛虎生凿巨野（巨野泽，在今山东巨野北）三百里，引汶水（今大汶水）会于清水（古济水自巨野泽以下又称清水）。这条航道后称“桓公渎”[49]。于是桓温率大军乘船自清水进入黄河，舳舻连绵数百里。这时，郗超又建议说：“清水入河，难以通运。若寇不战，运道又绝，因敌为资，复无所得，此危道也。不若尽举见众直趋邺城，彼畏公威名，必望风逃溃，北归辽、碣。若能出战，则事可立决。若欲城邺而守之，则当此盛夏，难为功力，百姓布野，尽为官有，易水以南必交臂请命矣……欲务持重，则莫若顿兵河济，控引漕运，俟资储充备，至来夏乃进兵；虽如赊迟，然期于成功而已”。[50]但桓温又未采纳，既不肯直趋邺城，决胜负于一役，又不肯顿兵河、济，以待来年。于是桓温使建威将军檀玄攻湖陆（在今山东西南部）。檀玄很快攻下湖陆，擒获燕之宁东将军慕容忠。前燕主慕容暐以下邳王慕容厉为征讨大都督，率步骑二万于黄墟（今河南民权北）迎战晋军，结果大败于晋军，慕容厉单骑逃回。接着，桓温前锋邓遐、朱序又大破燕将傅颜于林渚（今河南郑州市东北）。七月，桓温大军进至枋头（今河南浚县）。晋军顺利进军，燕主慕容暐君臣惶恐不安，准备逃往和龙（今辽宁朝阳市）。这时，前燕名臣慕容垂劝阻说：“不然，臣请击之，若战不捷，走未晚也。”[51]于是慕容暐以慕容垂为使持节、南讨大都督，率众五万抵御晋军，又使其散骑侍郎乐嵩去向前秦求救。
桓温进军之初，曾使袁真进攻谯、梁之地，并开石门（即汴口，在今河南荥阳境）引黄河水入汴渠（今河南荥阳西南之索河），沟通淮、泗水以通水运。袁真虽然平定谯、梁之地，但石门却没能打开，这时，桓公渎因为干旱水位下降，已不能通运。而慕容垂又派燕范阳王慕容德，兰台侍御史刘当率骑兵一万五千驻屯石门，桓温水军的退路及粮食供应都成了问题。
桓温进至枋头，离燕都邺城只有二百里路，但他顿兵枋头，不敢直趋邺城。这时，晋军的形势已很不妙，水运不通，粮草不继，退军已经是必然的了。此后，桓温几次与燕军交战都未取胜，又听说前秦军将至，乃命令烧掉船只，弃掉辎重从陆路退军。晋军为怕燕军在上游放毒，一路上凿井而饮。晋军既退，前燕诸将皆欲追之，慕容垂说：“不可，温初退惶恐，必严设警备，简精锐为后拒，击之未必得志，不如缓之。彼幸吾未至，必昼夜疾趋，俟其士众力尽气衰，然后击之，无不克矣。”[52]于是慕容垂亲率骑兵八千跟踪于后，又使慕容德率精骑四千埋伏于襄邑（今河南睢县西）东涧中。桓温见燕军未来追赶，果然放心，命令晋军兼程而进。慕容垂命令部下急速追赶，在襄邑追上晋军。慕容垂与慕容德前后夹击，大败桓温，晋军被杀者达三万人之多。此后，前秦救兵苟池又于路邀击桓温，晋军又死伤万余人。十月，桓温收拾散卒，驻军于山阳（今山东金乡县西北）。桓温的第三次北伐遂以惨败告终。
桓温三次北伐，除第二次有些成果外，皆无功而返，而第三次更以惨败告终。这有主客观两方面的原因。
从桓温主观上来说，其北伐不是真正想收复中原，而是志在立威，欲以功名镇江东，伺机取晋室而代之。因此，桓温在作战中务求持重，在大好形势下常常观望不进，贻误战机。另外，桓温确实很熟悉兵法，也善于用兵。比如他伐蜀途中，曾于鱼复（今重庆奉节东）平沙上见诸葛亮用石垒就的八阵图，其“垒石为八行，行相去二丈”，其军中文武皆不识此阵，但桓温一见就说：“此常山蛇势也，”可见他对兵法阵势是很精通的。又如他入关伐秦，镇守陇西的前凉将王擢赶紧“驰使于（张）祚，言温善用兵，势在难测”[53]，引起前凉一阵恐慌。但桓温还不是一个出类拔萃的军事家，用兵贵在多谋善断，相机而动。桓温于此却略逊一筹，他多次在大好形势下观望不进，虽与他志在立威，无意真正北伐有关，但也反映出他用兵不善于捕捉战机，缺乏灵活性。所以前燕申胤说他：“骄而恃众，怯于应变”[54]。又如他在第三次北伐撤军时，谋略上也输了慕容垂一筹。
从客观上来说，东晋君臣无意恢复失地，志在割江自保，又桓温权势日增，朝廷对其深怀戒心，因此其北伐得不到真正的支持。当桓温大军进展顺利之时，申胤就曾预料说：“以温今日声势，似能有为，然在吾观之，必无成功。何则？晋室衰微，温专制其国，晋之朝臣未必皆与之同心。故温之得志，众所不愿也，必将乖阻以败其事。”[55]这是正确的分析。
尽管如此，桓温的三次北伐还是有一定的积极意义。它支持了北方各族人民反抗剥削压迫的斗争，打击了少数族统治者的残暴统治，这是符合当时中原人民愿望的。
桓温既遭惨败，深以为耻，回至山阳，乃归罪于袁真，奏免袁真为庶人。袁真上表辩冤，并奏桓温罪状，朝廷不加理睬。袁真遂据寿春（今安徽寿县西南）投降前燕。桓温使毛虎生领淮北太守，镇戍历阳（今安徽和县），防备袁真。然后桓温发徐、兖二州百姓修筑广陵城，徙镇广陵（今江苏扬州市）。太和五年，袁真病死，其将朱辅立其子袁瑾继任其职。八月，桓温率兵二万从广陵出发，进攻袁瑾，袁瑾固守寿春，桓温遂围而攻之。太和六年正月，桓温军攻下寿春，生擒袁瑾、朱辅。寿春又入晋手。