慕容超认为南燕兵力强盛，足以克敌制胜，而且他不愿毁禾苗坚壁清野，于是采纳了第三策。他自信满满地说：“我据五州之强，带山河之固，战车万乘，铁马万群，纵令过岘，至于平地，徐以精骑践之，此成擒也。”他还将对此表示异议的太尉慕容镇收入狱中。
于是，南燕弃守天险大岘，东晋军顺利通过。刘裕得知南燕弃守天险后，大喜过望，他对部下说：“兵已过险，士有必死之志；余粮栖亩，人无匮乏之忧。虏已入吾掌中矣。”东晋军畅行至东莞（今山东沂水县东北），慕容超随即亲率大军与此前被令屯于临朐（今山东临朐县）的南燕军会合，又遣公孙五楼去上游抢占水源，以逼迫东晋退兵。
双方在巨蔑水展开大战，公孙五楼最终战败。东晋军乘胜追击，攻克了临朐城。慕容超惊慌失措，只得逃回都城广固，其玉玺、金钲辇、豹尾车均为晋军所获。东晋军又乘胜攻克广固，并筑围围困逃入广固小城的慕容超。
求援后秦，绝望挣扎
慕容超被困在广固城中，外无援兵，内无粮草，形势十分危急。他无奈之下，只得遣张纲向后秦求援，同时释放慕容镇，与群臣商议退敌之计。
慕容镇认为此时后秦忙于与大夏赫连勃勃开战，不能作为依赖，南燕应该下定决心与晋军决一死战。但司徒慕容惠则认为后秦会来救援，且应该令重臣韩范前往请援。慕容超于是遣韩范与王蒲再次去后秦请援。
太上五年（公元409年）七月，慕容超的心腹垣尊及其弟垣苗归降刘裕，刘裕由此得知南燕张纲能制造攻城器具，欲擒获张纲以攻破广固。不久，前去后秦求援的张纲在返回南燕途中被东晋擒获。刘裕让张纲绕城高呼后秦不派援军，以扰乱南燕军心。南燕民众得知后秦不会来援，人心惶惶，日以千数地归降刘裕。
慕容超见外援不至，请求以大岘为界，称藩于东晋，被刘裕拒绝。后秦遣使劝刘裕退兵，也被刘裕拒绝。同年九月，韩范艰难求得后秦援军，欲前往救援南燕时，大夏与后秦又起兵事，后秦无奈召回了对南燕的援军。
南燕尚书张俊随后归降刘裕，并建议刘裕招降韩范以绝后秦援军。在王蒲的劝说下，韩范最终投降东晋。南燕城中得知韩范投降，人心离散。群臣劝说慕容超加罪韩范家人以绝叛乱，但慕容超考虑到韩范之弟韩言卓为人忠诚，没有听从他们的建议。
亡国被斩，落幕悲歌
太上五年（公元409年）十月，此前逃亡北魏的段宏奔降刘裕，而张纲也为刘裕制造出了攻城器具，东晋攻势日盛。慕容超怒而诛杀张纲之母，以泄心头之恨。由于南燕守势日衰，灵台令张光于同年十二月劝慕容超出城投降，却被慕容超所杀。
太上六年（公元410年）正月，尚书令董锐再次劝说慕容超投降，慕容超不仅不听，还将他关入狱中。当年二月，慕容超遣贺赖卢、公孙五楼从地道出击东晋，却未得胜。刘裕随即堵住广固水源五龙口，不久后城中之人接连患病，纷纷出城投降。尚书悦寿劝说已患病的慕容超投降，慕容超再次拒绝。
东晋军开始全力攻城，悦寿见慕容超拒不投降，为了保全城中百姓，他打开城门，迎接东晋军入城。慕容超见大势已去，率领数十名骑兵突围，但最终还是被晋军抓获。
慕容超被押解到建康（今江苏省南京市）后，刘裕对他恨之入骨，下令将他斩首示众。慕容超神色自若，没有丝毫畏惧。他年仅二十六岁，南燕也随之灭亡。
慕容超的一生，充满了戏剧性和悲剧性。他从一个流亡的孤儿，成为南燕的皇帝，却又因为自己的昏庸和无能，导致国家灭亡，自己也落得个身死国灭的下场。他的故事，让人感叹命运的无常，也让人深刻地认识到，一个君主的决策和行为，对国家和人民的命运有着多么重要的影响。在那个乱世之中，慕容超的悲剧，只是无数悲剧中的一个缩影。
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