经过两次北伐，桓温的野心越来越大。为了进一步树威，公元369年夏初，他统率五万大军从姑孰出发，向北讨伐前燕。

六月间，大军到达金乡（今山东金乡）。这年夏季气候干旱，水位低，航道涩滞，运输给养十分困难，大军无法北进。参军郗超建议先在黄河、济水一带驻军，囤积粮草，等到来年再进攻。桓温想速战速决，连连摇头。郗超道：“若想速战速决，不如直攻邺城，一决胜负。”桓温又认为此举过于冒险，没有采纳。

桓温思考再三，派毛虎领兵在巨野开凿了一条三百里长的河道，引汶水入清水。桓温领兵从清水乘船到黄河，连败前燕军，士气大振。

前燕主慕容暐闻报大惊，忙命慕容厉领兵两万前去抵御。晋军士气正盛，杀得前燕军大败而逃。慕容厉差点儿丢了性命，匹马奔还。

告急文书不断飞向邺城，吓得慕容暐六魂无主。朝中大臣见晋军来势凶猛，大多主张迁都。车骑大将军慕容垂热血沸腾，痛斥了主张逃跑的臣子，自愿领兵抵御晋军。慕容暐本来心慌意乱，听了慕容垂的话顿时定下心来，命他领兵五万前去御敌。他又派使者到前秦，请求发兵援救，前秦主为了共同的利益，派兵两万前去救援。

桓温领兵驻扎在枋头（今河南浚县淇门渡），由于水位降低，河道接近干涸，军粮告急。慕容垂领兵到了枋头附近，扎下营寨按兵不动。他对部下说：“晋军运粮困难，希望速战速决。我们先不出战，待他粮草耗尽再出击！”(www.daowen.com)

晋军粮草日益减少，军心开始动摇，接着听说前秦军前来援燕，官兵难免恐惧。桓温知道取胜无望，下令烧掉所有舰船，丢下器仗，改由陆路撤回江东。

桓温久经沙场，知道撤军最易遭受袭击。他留下一支部队埋伏好，准备伏击追兵。埋伏的部队守候了两天两夜，不见有敌人来追，此时大队人马已经远离，便急忙赶上大部队向南撤退。

谁知到了第五天夜里，慕容垂率领八千精兵杀入晋军大营。晋军多日劳累，疲乏不堪；又因离开战场已远，放松了警惕，顿时被燕军击溃。桓温带着残军且战且退，冷不防援燕的前秦军斜刺里杀到，把晋军杀得七零八落，溃不成军。

晋军回到姑孰，五万人马只剩下一万多，桓温的第三次北伐最后以惨败告终。