兴宁二年三月，前燕将李洪攻打许昌，大败晋军。桓温派将领疏通水路，亲身率船师进兵合肥，预备北伐。此次已是桓温第三次北伐。
然而东晋朝廷不想让桓温北伐。蒲月，晋廷又以桓温为扬州牧、录尚书事，遣侍中颜旄宣旨，召桓温进朝参政。桓温以中原尚未恢复为由推托。朝廷不准，再次征桓温进朝。桓温军至赭圻（时属宣城郡，今安徽宣城四周），晋廷又诏尚书车灌行之，桓温遂城赭圻而居之，远领扬州牧。昔时，桓温移镇姑孰，以其弟桓豁监荆、扬、雍州军事，镇守荆州。当时桓温权倾全国，远控朝政。不久，哀帝死，桓温北伐之举暂时弃捐。
太和四年，也就是公元369年，桓温正式收兵攻打前燕，停止第三次北伐。此次间隔前次北伐已时隔13年，桓温此时年已57岁。此次北伐，桓温军从各方面看都没有短板。东晋在桓温实行“土断”之后，财阜国丰，军粮军资充沛，时郗愔所领徐州，其民多劲悍，为精兵所聚之地。就是汗青上赫赫有名的“北府兵”兵源地。桓温常说：“京口（徐州治所，今江苏镇江市）酒可饮、兵可用。”后来郗愔从命郗超定见，将军权让给桓温，桓温兵力大增。
正因为桓温兵锋强劲，招致他过度自信，在后来的行军做战中他我行我素、思维僵化，使晋军一步步落进了深潭。桓温四月出兵后，先命冠军将军毛虎生凿巨野（在今山东巨野北）三百里，引汶水（大汶水）会于清水（古济水自巨野泽以下又称清水）。那条航道后称“桓公渎”。昔时全国大旱，运河水太浅。谋士郗超灵敏意识到后勤运粮船可能会搁浅，因而劝阻桓温孤军深进，定见先攻打邺城，或者屯兵河、济，等第二年进兵。
郗超提出的两个理性定见都不被桓温摘纳。桓温派建威将军檀玄攻湖陆（山工具南部）。檀玄很快攻下湖陆，擒获燕之宁东将军慕容忠。前燕主派慕容厉率步骑二万在黄墟（河南民权北）迎战晋军，成果大败，慕容厉单骑逃回。桓温先锋邓遐、墨序又大破燕将傅颜于林渚（河南郑州市东北）。
七月，桓温大军进至枋头（今河南浚县）。燕君臣惶恐不安，预备逃往和龙（今辽宁向阳市）。那时，前燕名臣慕容垂劝阻说：“否则，臣请击之，若战不捷，走未晚也。”意思是：“我出马对抗一下尝尝，不可再逃也来得及。”燕主命慕容垂为使持节、南讨大都督，率寡五万抵御晋军，又使其散骑侍郎乐嵩往向前秦求救。
桓温进军之初，曾派袁实进攻谯、梁之地，并开石门（河南荥阳境）引黄河水进汴渠（河南荥阳西南之索河），沟通淮、泗水以通水运。袁实固然平定谯、梁之地，但石门却没能翻开。那时，桓公渎公然如郗超所料，因为干旱水位下降，不克不及通运。慕容垂又派燕范阳王慕容德，兰台侍御史刘当率马队一万五千驻屯石门，桓温水军的退路及粮食赐与都成了问题。
桓温进至枋头，离燕都邺城只要二百里路，但他顿兵枋头，不敢曲趋邺城。那时，晋军的形势已很不妙，水运欠亨，粮草不继，退兵已经是一定的了。尔后，桓温几次与燕军交战都未取胜，又传闻前秦军将至，乃号令烧掉船只，弃掉辎重从陆路退兵。晋军为怕燕军在上放逐毒，一路上凿井而饮。
晋军退军，前燕将领都要逃击，慕容垂说：“不成，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，必日夜疾趋，俟其士寡力尽气衰，然后击之，无不克矣。”慕容垂亲率马队八千跟踪桓温戎行，又派慕容德率精骑四千暗藏于襄邑（河南睢县西）东涧中。
桓温见燕军将来追逐，公然放下戒心，号令晋军兼程而进。慕容垂号令手下急速追逐，在襄邑逃上晋军。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。尔后，前秦救兵苟池又于路邀击桓温，晋军又死伤万余人。十月，桓温拾掇散卒，驻军于山阳（山东金乡县西北）。桓温的第三次北伐遂以惨败了结。
客看讲，桓温熟悉兵书，也擅长用兵，好比他伐蜀途中，曾于鱼腹（四川奉节东）平沙上见诸葛亮用石垒就的八阵图，其“垒石为八行，行相往二丈”，其军中文武皆不识此阵，但桓温一见就说：“此常山蛇势也。”可见他对兵书步地是很熟知的。但桓温还不是一个出类拨萃的军事家，用兵贵在多谋善断，相机而动。桓温于此却略逊一筹，他屡次在大好形势下看看不进，虽与他志在立威，无意实正北伐有关，但也反映出他用兵不擅长捕获战机，欠缺乖巧性。所以前燕申胤说他：“骄而恃寡，怯于应变”。再加上桓温在朝廷逞威多年，过于顺遂，思维僵化，少有时机纠正本身弱点，以致于北伐以惨败收场。