直趨鄴城固然能達到出其不意、攻其不備的效果，但是，同樣意味著北伐軍需要舍棄船舶輜重，遠距離徒步奔襲，而據城而守的前燕軍卻是以逸待勞，這是以己之短攻敵之長。在敵方有生力量並未受損的情況下，桓溫隻要進攻稍有不利，前燕四方援軍轉瞬即至，是時，內外夾擊，北伐軍必敗。事實上，在當時，前燕已經有所反應，開始派兵攔截北伐軍進軍。作為首都的鄴城，前燕不可能毫無防備。
對於“頓兵河、濟，積蓄糧草，來年再戰”的建議，桓溫就更不可能采納了。懸師日久，會對軍心士氣造成極大損害，導致師老兵疲，這不是一番慷慨激昂的鼓勵話語就能夠改變的。而且也會給前燕太多的準備時間，從容調度，到時候依然是勝負難料的結果。
桓溫真正的勝算在於東西兩路大軍全部達成預定戰役目標，會師於前燕首都鄴城城下。那時，北伐軍體力充沛，士氣如虹，兵精糧足。前燕卻會因為無法阻止晉軍北上而陷入恐慌，屢戰屢敗之後，軍心渙散，不可能阻止北伐軍攻破鄴城。
開戰初期，戰事發展正是桓溫想要的樣子，直到負責打通糧道的袁真出了問題。
六月，北伐軍在黃墟（今河南民權北）大敗前燕下邳王慕容厲兩萬步騎，慕容厲僅以身免；燕軍繼任者慕容藏節節敗退；同月，前燕高平太守徐翻投降，兗州刺史孫元起兵響應；同月，桓溫前鋒鄧遐、朱序大破燕將傅顏八萬大軍於林渚（今河南鄭州市東北）。
七月，北伐軍進至枋頭（今河南浚縣），距前燕國都鄴城僅二百餘裡。
接連的戰敗讓燕國君臣驚慌失措，惶恐不安，皇帝慕容暐及主政者慕容評連逃往和龍（今遼寧省朝陽市）的馬車都已經準備好了，正在搬家。
想起那座代表著慕容家族精神的大棘城，那年，大棘城下，慕容廆激勵將士，親自出擊，重創宇文素延數十萬大軍。那年，依然是大棘城下，刀槍如林，馬嘶震天，慕容恪僅以兩千騎兵即擊破後趙天王石虎，一戰而名揚天下。
國都遷到了鄴城，皇帝也換成了慕容暐，桓溫還沒有圍城，情況
並不比當年糟糕，先輩的榮光也還在，但前燕君臣的骨頭，酥了。
慕容垂阻止了前燕皇帝陛下的逃跑行動，“臣請擊之，若戰不捷，走未晚也。”
在國家危難之際，慕容垂發揮了自己在關鍵節點上的關鍵作用，阻止皇帝的逃跑，穩定了前燕的軍心、民心。為下一步行動的有效實施奠定了基礎。
慕容暐停下腳步，任命慕容垂為使持節、南討大都督，率眾五萬抵抗晉軍。同時派遣使者赴前秦求援，許諾割讓虎牢（今河南滎陽西北汜水鎮）以西土地，換取前秦出兵救援。大家請注意這一點，戰後，前燕食言，這成為前秦滅燕的導火索。
當時，到達枋頭的晉軍情況並不樂觀，雖然北伐軍節節勝利，但西路軍袁真在平定譙、梁之後，並沒能順利打通石門漕運糧道，完成戰役目標。慕容垂派燕範陽王慕容德、蘭台侍禦史劉當率騎兵一萬五千駐屯石門，完全斷絕晉軍東、西兩路會師可能。桓公瀆也由於乾旱而水位下降，不能通運。北伐軍水運不通，退路及糧食供應均被切斷，桓溫頓兵枋頭，鄴城雖近在咫尺卻不敢揮兵直進。
而且，在頓兵枋頭之後，桓溫和慕容垂幾次交手均遭失敗，又有傳言前秦援軍將至，北伐軍士氣愈發低迷，此消彼長之下，退兵已成必然。
369年九月，由於水路不通，桓溫命令燒掉所有船隻，放棄全部輜重，從陸路撤軍。沿途為防止燕軍投毒，一路鑿井而飲，行七百餘裡而追兵不至，晉軍於是放鬆警惕，開始大踏步後撤。
其實，前燕的追兵一直就在北伐軍的身後，慕容垂親自率領八千騎兵尾隨追蹤，並不是不願出擊，而是在等待一擊而勝的時機。
當晉軍認為燕軍並沒有派出追兵時，當晉軍放鬆警惕防備鬆散時，當晉軍思鄉心切戰意漸消時，當晉軍日夜兼程疲憊不堪時，那就是燕軍進攻的時機。
很榮幸，慕容垂等到了這樣的機會；很不幸，晉軍正如慕容垂所料。
桓溫見追兵未至，於是大膽撤軍，命令晉軍兼程而進。緊隨北伐軍身後的慕容垂隨即下令急速追趕，並使慕容德率精騎四千於襄邑（今河南睢縣西）設伏。
九月，慕容垂在襄邑追及晉軍，慕容德伏兵儘出，前後夾擊，大敗桓溫，殺傷晉軍達三萬人。前秦援軍也應邀而至，前秦將領苟池在譙國再次擊敗桓溫，晉軍傷亡以萬計。
369年十月，桓溫收攏散兵，屯駐山陽（今江蘇淮安），第三次北伐以慘敗告終。
這是桓溫最後一次北伐，此敗之後，再不北伐。
值得一提的是，勸說前秦苻堅出兵救援前燕的人，就是那個在桓溫軍帳中捫虱論天下的王猛。一彆經年，各為其主。
總體而言，桓溫三次北伐並無建樹，最後一次更是損失慘重，在此對於北伐失敗的原因總結如下
首先，借用史書話語，桓溫北伐動機不夠純粹。“挾震主之威，蓄無君之誌，企景文而慨息，想處仲而思齊，睥睨漢廷，窺覦周鼎。”北伐成了桓溫立威東晉，名震江東的工具，收複失地還我山河反倒成了次要願望了。也正因為此，桓溫害怕失敗，進軍務求持重，大好形勢下常觀望不前，貽誤戰機。
其次，在將領的個人謀略上，正如前燕申胤所評，桓溫“驕而恃眾，怯於應變”。固然有其務求持重的原因，但也反映桓溫不善於捕捉戰機，指揮作戰缺乏靈活性。尤其在第三次北伐撤軍途中，其個人謀略明顯比慕容垂很是遜一籌。
最後，東晉君臣偏安東南一隅，誌在割江自保，無意恢複失地。反倒是對桓溫權勢日盛而深懷戒心，不願看到桓溫北伐成功。因此，桓溫的北伐並不能得到東晉朝廷的全力支持。正如前燕申胤所評“以溫今日聲勢，似能有為，然在吾觀之，必無成功。何則？晉室衰微，溫專製其國，晉之朝臣未必皆與之同心。故溫之得誌，眾所不願也，必將乖阻以敗其事。”
桓溫的北伐是孤獨的，前有強敵，後有掣肘。一段偉大的事業，本該上下同心、全力以赴的征程，在上位者各自利益的驅動下，成了桓溫一個人的旅程。
桓溫所進行的北伐，雖然損失慘重，建樹無多，但卻為北方人民反抗剝削與壓迫的鬥爭了支援，沉重打擊了少數民族的殘暴統治，這是符合當時北方人民願望的。桓溫的北伐，猶如一盞明燈，在黑夜中帶給了北方人民戰勝異族奴役的信心和希望。
戰後，慕容垂功高遭嫉，被迫出逃。
戰後，渡過難關的前燕沒有兌現向前秦求援時的割地許諾，燕主慕容暐遣使苻堅“分災救患，理之常也”，雙方因之反目。這直接導致前秦發動滅亡前燕的戰爭。
桓溫的北伐沒有滅亡前燕，前燕卻因為桓溫的北伐而走向滅亡。