廣固城被劉裕大軍包圍后，被南燕國主慕容超喜歡、重用并引為心腹的尚書垣尊和他的弟弟垣苗，都跳出城墻向東晉部隊投降，劉裕任命他們為參軍。

有人對劉裕建議說：“尚書郎張綱心靈手巧，如果把他抓來，讓他來制作攻城用具，廣固城一定可以攻克。”

正好張綱從長安請救兵回來，被申宣抓住了送給劉裕。劉裕讓張綱登上樓車，命令他在城的四周對著城內高喊：“夏國的郝連勃勃把秦軍打得大敗，所以沒有誰能派兵來救你們了！”城中將士聽到這話都大驚失色，人心惶惶。

東晉從江南每次發兵前來增援，或者是派遣使者來廣固慰問時，劉裕都暗自派兵卒在前一天夜里迎候，第二天再扛著大旗，敲鑼打鼓大張聲勢地到來，北方的百姓拿著武器、背著糧食前來歸降劉裕的人，每天都有一千多人。

晉軍對廣固的圍攻越來越猛烈，南燕大臣張華、封愷都先后被劉裕俘虜，慕容超請求割讓大峴山以南的地區講和，并愿意做東晉的藩臣，劉裕沒有答應。

后秦國主姚興派遣使者去對劉裕說：“慕容氏與我們相鄰，關系友好，現在你們這樣急迫地進攻他們，我們秦國已經派遣十萬精銳強壯的騎兵屯聚在洛陽，你們的部隊如果不撤退，那么，我們就要長驅進軍了！”

劉裕把后秦的使節叫到跟前來對他說：“回去告訴你們姚興：我本打算攻克燕國之后，停止軍事行動修整三年，然后就要去奪取你們的關中和洛陽。如果今天你們要是能自己來送死，那就快點來吧！”

劉穆之聽說有后秦使節來，便騎著快馬跑來拜見劉裕，但后秦使者已經走了。劉裕把自己說的話告訴了劉穆之，劉穆之埋怨他說：“平常的時候事情無論大小，你都一定找我商量，這件事太重大，應該好好考慮一下再決定，為什么就這樣貿然地答復他呢？你說的這話不但不足以把敵人威懾住，相反卻足以激怒他。如果廣固沒有攻下，那些羌族的強盜又突然到來，不知道你準備怎么對付他們。”

劉裕笑著說：“這是用兵之道，不是你所能明白的，所以才不告訴你。兵貴神速，他們如果真的能趕來救援的話，一定是害怕我們知道，哪里還能事先派人來通知我，說下這番話呢？這一定是他們的大話！晉軍已經很久不出國征戰了，羌人看見我們大舉討伐三齊之地，心中已經開始畏懼，他們保全自己還來不及，怎么還能援救別人呢？”

南燕尚書令韓范到后秦去請救兵，姚興派遣姚強統帥騎兵一萬人跟隨韓范到洛陽與姚紹會和，然后兩個合兵一起去救援南燕。部隊出發不久，姚興就被郝連勃勃打敗，又派人追上姚強，讓他帶部隊回長安戍衛，韓范仰天長嘆說：“上天要讓我燕國滅亡了！”

劉裕寫信給韓范招降他，后秦派人也招納韓范，韓范說：“劉裕從平民起家，剿滅桓玄，興復晉室，這次起兵討伐燕國，所到之處，無不土崩瓦解，這一定是天意，不是人力所能及。燕國亡，秦國跟著就是第二個，我不能再受一次亡國之辱。”于是投降了劉裕。

劉裕對韓范說：“你不是想建立像申包胥那樣的功業嗎，為什么空著手回來了？”

韓范說：“我家世代蒙受燕主恩寵，所以我到秦庭那里痛哭求援，希望能挽救燕國于禍難之中，適逢秦國多變故，我的赤誠沒有收到效果，可以說這是上天要滅亡燕國，幫助明公。明智的人見機而動，我豈敢不來呢！”

第二天，劉裕帶著韓范繞城巡行，因此燕人心中更加害怕，再也沒有堅守的心思。劉裕對韓范說：“你應該到城下去，把生死禍福告訴慕容超。”韓范懇切地說：“我雖然承蒙您非同一般的恩寵，但還是不忍心去圖謀燕國。”劉裕對此很嘉獎，并不勉強他。

張綱為劉裕設計制造沖車，用木板覆蓋在車上，蒙上皮革，同時設置各種巧妙的機關，城頭上的火石弓箭都不起作用；又制造了飛樓、懸梯、木幔之類，逼近城頭，慕容超大怒，把他的母親懸掛在城墻之上，活活肢解了。

時間到了第二年正月，初一這天，慕容超與寵妃魏夫人登上城墻，看見東晉軍隊的強盛景況，不由得握住對方的手相對哭泣起來。韓卓規勸說：“陛下遭受險惡的命運，正應該不懈努力，用來鼓舞將士百姓的斗志，怎么能做這小女子似的痛哭流涕的事情呢？”慕容超擦干了眼淚，表示歉意。

慕容賀賴盧和公孫五樓挖了一條地道出來襲擊東晉部隊，被劉裕打敗，只得退回內城。廣固城門關閉太久，城中男女百姓患軟腳病的人超過一半，因此出城投降的人一個接著一個。

尚書悅壽勸說慕容超道：“現在，上天幫助強盜制造罪惡，我們的將士疲憊凋零，單獨困守這一座窮破的城池，外援已經毫無希望，天時和人心的傾向也是可以想見的。如果氣數已盡，命該如此，那么，即使是堯舜也不能不退位，陛下怎么可以不想一下變通的辦法呢？”

慕容超嘆息著說：“天下的興亡，都是天命，我寧可舉劍力戰而死，也決不銜璧投降！”

初五，劉裕動員全部兵力奮力攻城，有人勸說：“今日‘往亡’，不是吉日，不利于調動軍隊。”劉裕說：“我往他亡，有什么不利的！”于是在城的四面發動猛攻。悅壽打開城門，把東晉軍隊放了進來。慕容超與左右侍衛幾十個騎兵越過城墻突圍出去，被東晉軍隊追上抓獲了。

劉裕用據不投降的罪行斥責他，慕容超神色平靜，一言不發，只是把母親托付給劉敬宣照顧而已。

劉裕痛恨廣固城久攻不下，打算把所有的軍民全部活埋，然后把他們的妻子女兒賞給自己的將士。韓范勸阻說：“晉室遷移到南方之后，中原地區混亂不堪，士人百姓無依無靠，對待強有力的政權，自然是依附過去了。既然做了人家的臣民，就一定要為人家盡力拼命。他們都是古老的士族，先帝遺留下來的子民，今天，王室的軍隊前來討伐異族拯救他們，卻要把他們全部活埋，那么您打算讓百姓往哪里去呢？我私下里擔心西北的百姓從此不會再有盼望我們去拯救他們的愿望了。”

劉裕馬上肅然起敬，向他道歉，但是還是殺了王公以下的三千多人，沒收的家庭人口也有一萬多，又拆毀了廣固城墻，把慕容超押回建康斬首。

司馬光說：“晉自從南渡長江以來，威靈不竟，戎狄異族，橫行無忌，如猛虎吞噬中原。從劉裕開始指揮王師平定華夏東部地區，但是，他卻不在這個時候禮賢下士、安撫百姓，反而變本加厲地肆意而為，大開殺戒，以此發泄自己一時的憤怒。看他的所作所為，竟然連苻氏、姚氏都不如，這也正是他不能平定四海成就一番美好大業的真正原因。豈非雖有智勇而無仁義使之然哉！”