朝廷早朝时，收到奏折征西大将军桓温于永和十年（354年）二月己丑日，率军北伐前秦。他亲率步骑四万自江陵出发，由水路自襄阳入均口（今湖北均县西），然后自淅川（今河南淅川东）直趋武关（今陕西丹凤东南），同时命梁州刺史司马勋兵出子午道，合击秦军。请求朝廷再派兵从徐州出发监视燕国行动，防止慕容氏偷袭荆州后方。

晋军历经数次血战，生擒前秦将领郭敬，击退淮南王苻生，顺利进入关中。秦皇帝苻健命苻苌、苻雄、苻菁等将领率五万军队屯兵峣柳（今陕西商县西北），以阻挡晋军。

四月己亥日，桓温在蓝田县与苻苌等军大战，虽然苻生单骑突陈杀伤不少晋兵，但晋兵在桓温的统率下仍大败秦兵；同时桓冲又在白鹿原击败苻雄军，桓温在大败前秦军队后就继续向长安进发，进据灞上。当时苻苌等军退屯城南，苻健于是尽发精兵三万人，在大司马雷弱儿等人率领下与苻苌会合，只留六千老弱士兵留守长安小城。

当时前秦首都长安危急，三辅各郡县都来向桓温归降，桓温心情大悦，出枨安抚并让居民恢复原来生活。当时居民又争相以牛酒劳军，又夹道观看前来的军队，更有老人跪地不起，流着泪说：“不图今朝复睹官军。”桓温泪流满面，说到：“今我带王师必收复故土，驱杀胡人，还大晋子民一个安定的天下。”

下面高呼：“万岁！万岁！晋军必胜！晋军必胜！”

在万民同庆时，帐下几个校尉面上流出几分惊恐，这恒温现在声望过高，真的打破长安城，掌握一半的天下，恐怕又多了个曹孟德吧！

桓温退入帐内，召集众将，说：“现在我们有两条路可走，一条直接急攻长安；一条驻屯灞上，稳固后方，慢慢图之。”

面对这个形势，顺阳太守薛珍说到：“现在贼军被吾军击溃，士兵低落，吾军应直逼长安，一举收复西京，必威震四方的胡人，天下又可以回归汉地。

桓温皱了皱眉头，说到：“当年诸葛孔明出祁山伐魏，只有一路，而今吾军从荆州与汉中两路大军同时伐秦，不必急于求成，寻苻健的主力奸之。

薛珍又想言，桓温摆摆手，说到：“明日一早全军开拨驻屯灞上，寻苻健主力聚而奸之，以决后患。”

众将齐喊到：“遵命。”

大军来到灞水，就没有进渡灞水，一直与秦军相持，桓温打算收割当地的麦子作军粮以继续对峙。

符健命人大量抓捕当地的汉人，更抢先一步收割麦子，而且坚壁清野，令桓温陷入缺粮困境。在战事不利和缺粮之下，桓温唯有在六月丁丑日迁关中三千多户人南归。苻苌见桓温退兵，更领兵追击，至潼关时已屡败晋军，伤亡数以万计。冠军将军邓遐一人殿后射伤苻苌，前秦军大惧，不敢再追，晋军才得以安然返回荆州。当时薛珍以桓温被逼退兵，当众称许自己之勇而指责桓温太慎重，于是被桓温指使邓遐所杀。

另一方面，进攻陈仓的司马勋和王擢虽攻破陈仓，但亦被苻雄、苻法、苻坚父子三人所败，司马勋退回汉中而王擢回略阳。北伐至此结束。