北伐后秦义熙十二年（416）八月，刘裕又一次率军北伐，攻打后秦。这次北伐，兵分五路。新野太守朱超石、宁朔将军胡藩趋阳城；龙骧将军王镇恶、冠军将军檀道济趋许、洛；建威将军傅弘之、振武将军沈田子趋武关；冀州刺史王仲德，由巨野入河；建武将军沈林子、彭城内史刘遵考，自汴入河；九月，刘裕自己率所部驻扎彭城，加领徐州刺史。

　　各路大军进展都很顺利，史称“望风降服”。十月，众军到达洛阳，包围了金墉，姚泓弟弟平南将军姚洸归降。晋军修复晋王陵，置守卫。

　　这时刘裕认为自己功劳甚高，便派左长史王弘还建康，“讽朝廷求九锡”（《资治通鉴》卷一一七，《晋纪》）。这时，刘裕的心腹刘穆之正在建康掌留任，看见刘裕居然如此无赖，感到为他羞愧，因之发病而死。这年十二月，朝廷见刘裕功高难治，只好下诏以刘裕“为相国，总百揆、扬州牧，封十郡为宋公，备九锡之礼，位在诸侯王上，领征西将军，司、豫、北徐、雍四州刺史。”刘裕原先让王弘还建康求九锡用意大概是想探探朝廷态度，现朝廷果然能如他的意，他反倒感到自己有些操之过急了，所以没有敢接受朝廷之封。

　　义熙十三年正月，刘裕以儿子彭城公刘义隆镇守彭城，自己则率水军入河。北魏步骑十万，占据河津，刘裕命诸军渡河击之。七月，刘裕由洛阳到达陕城。八月，扶风太守沈田子大破姚泓于蓝田，王镇恶也攻占了长安，活捉了姚泓。九月，刘裕也到了长安。当时长安城内物资丰富，币藏盈积。刘裕将一部分浑仪、土圭等献给朝廷，其余珍宝珠玉则分给将帅，他还在长安谒汉高祖刘邦陵，大会文武于未央殿，很有些以光复故土的救世主自居。本来，刘裕完全可以乘胜前进，平定陇右，恢复晋疆域，可是就在这紧要关头，他却宁愿功亏一篑，留下十二岁的儿子刘义真为安西将军，镇守长安，自己却匆匆返回建康。

　　刘裕停止北伐，虎头蛇尾，使关中父老非常失望，因为长安自316 年被匈奴人刘曜占领，人们盼望汉家军队的旌旗，已经一百多年了。因此，当时“三秦父老，闻裕将还，诣门流涕诉曰：残民不沾王化，于今百年。始睹衣冠，人人相贺。长安十陵，是公家坟墓，咸阳宫殿，是公家室宅，舍此欲何之乎！”（《资治通鉴》卷一一八《晋纪》）对刘裕的心事，有人倒看得明白，认为刘裕将“关中形胜之地，而以弱才小儿守之，非经远之规也。狼狈而还者，欲速成篡事耳，无暇有意于中原”（《晋书·赫连勃勃载记》）。事实的确如此，刘裕之所以匆匆南归，是因为刘穆之病死，他怕此时朝廷会有人趁机夺权，所以急忙赶回建康。他对夺取东晋皇帝宝座已是急不可耐了。废晋建宋这时，整个东晋王朝可与刘裕对抗的几乎没有谁了。比如刘毅，与刘裕同时起兵反对桓玄，被称为北府兵三强（刘裕、刘毅、何无忌）之一，刘毅“自谓京口、广陵，功业足以相抗，虽权事推公（指刘裕）而心不服也。毅既有雄才大志，厚自矜许，朝士素望者多归之”。刘裕既知刘毅不肯俯就在自己门下，“终为异端”，于是“密图之”。刘毅假装病重，上表求以从弟刘藩为自己的副职，刘裕亦假意允许。九月，刘藩入朝，刘裕下令将刘藩及刘毅的追随者尚书仆射谢混抓入狱中赐死。然后亲自率军讨伐刘毅。不出一个多月，刘毅就兵败被杀。

　　除了刘毅敢与刘裕抗衡外，还有一个叫诸葛长民的人，他也是与刘裕一同起兵抗击桓玄的，所以在北府将官中，资格不低。刘毅被杀后，诸葛长民感到自己处境危险，对自己左右感慨道：“昔年醢彭越，今年诛韩信，祸其至矣。”于是开始“将谋作乱”，刘裕召他到建康，他每每托故不行。后来刘裕设计骗来诸葛长民，将他和弟弟诸葛黎民一块杀死，算是解除了自己又一隐患。

　　刘裕既铲除了异己，而且东晋朝廷这时也没有能力控制局面，刘裕威望、权势与日俱增，连北魏崔浩也认为“刘裕奋起寒微，不阶尺土，讨灭桓玄，兴复晋室，北禽慕容超，南枭卢循，所向无前，非其才之过人，安能如是乎！”（《资治通鉴》卷一一八《晋纪》）

　　刘裕不仅以武功显赫于当时，而且在一些政治措施上，他也很有建树，这些为他日后称帝打下了基础。

　　比如，当时东晋“山湖川泽，皆为豪强作专，小民薪采渔钓，皆责税直”，刘裕认为这对百姓不利，于是“禁断之”。这些措施，使刘裕在普通民众心中，也留下了较好的印象。

　　义熙十四年（418），刘裕受封为相国、宋公。这一次，他没有推辞，因为刘裕认为自己各方面的条件已经成熟，他的目光早已盯上皇帝的宝座。义熙十四年底，刘裕缢死了晋安帝司马德宗，改立司马德宗的弟弟司马德文为帝，一年半后，刘裕又迫使司马德文禅位给自己。

　　晋元熙二年（420）六月，刘裕正式称帝，国号为宋，改元永初，定都建康，史称宋武帝。

　　刘裕经过多年苦心经营，终于当上了皇帝，他深知帝位来之不易，所以即位后，尚能勤勉于政事，还算是一个有所作为的皇帝。

　　刘裕即位后，免去了一些苛捐杂税，“蠲租布二年”，使百姓能多少减轻一些负担。对于那些原来因战争需要被征发的奴隶也一律放还。东晋末年，置官滥乱，给人民带来沉重负担，刘裕也能及时制止，规定“荆州府置将不得过二千人，吏不得过一万人；州置将不得过五百人，吏不得过五千人”。刘裕对东晋以来苛刻的刑法也进行了改革，永初三年（422）下诏“刑罚无轻重，悉皆原降”。