刘裕调兵遣将西进，派女婿徐逵之为前锋。配以精兵利器，欲让其先立大功，待事宁之后任其为荆州刺史。谁知出师不利，前锋部队在破冢遭到鲁轨的猛烈阻击，徐逵之兵败阵亡。刘裕闻知爱婿阵亡，怒不可遏，亲率诸将渡江。鲁轨、司马文思将兵四万，临峭岸布阵，刘裕手下的军士无人能登。刘裕披挂盔甲，要亲自登岸，诸将纷纷劝阻，刘裕不但不听，反而暴怒异常，非上不可。太尉主簿谢晦上前抱住他，使他难以行动。刘裕抽出剑来，指着谢晦说：“我斩卿！”谢晦神色不变，死死地抱住他说：“天下可无我谢晦，不可无公！”刘裕无奈，只得作罢。他一眼看见建武将军胡藩领游兵在江津，便令其登岸，见胡藩面有难色，便要命人将其抓来斩首。胡藩一急之下，死命攻上陡岸，兵士随后一涌而上，大破敌军，攻克江陵。司马休之、鲁宗之等北逃投奔后秦。王镇恶等追至边境，不敢穷追，只好退兵。
平定江南攻伐北地
义熙元年（4O5），曾州大族谯纵趁东晋衰乱，据有四川，形成一个独立王国，自称成都王，称臣于后秦，常派兵侵扰东晋，威胁荆楚。刘敬宣曾率军征讨，却大败而还。收复益州，统一江南，就成了刘裕经常筹划的大事。
义熙八年（412）十二月，刘裕西征刘毅，攻占江陵后，乘胜进军益州。他从众将中选拔西阳太守朱龄石为元帅，统军征伐。众人皆以为朱龄石资名尚轻，难当重任，刘裕却独具慧眼，认定其既有武干，又练吏职，必能担此重任，所以不为众议所动。宁朔将军臧熹是刘裕的妻弟，位在朱龄石之上，刘裕派他为副将，随军西征。又将猛将蒯恩、下邳太守刘钟等分派给朱龄石。并配给二万大军。毛修之再三请求随军伐蜀，刘裕知当年蜀人杀死毛璩一家，毛氏与蜀人有不共戴天之仇，怕毛修之入蜀后会大肆屠杀，也怕蜀人因此冒死顽强抵抗，对收复益州不利，所以拒绝了毛修之的请求。
朱龄石按照刘裕的精心策划行事，顺利入蜀，经过一番激战，于次年七月攻占成都，谯纵弃城而逃，后自杀身死，余党也全被歼灭。益州被东晋收复。
平定江南后，刘裕开始实践他收复中原的抱负。
义熙十二年（416）正月，后秦派鲁轨引兵入寇襄阳，骚扰荆楚，欲切断东晋长江上、下游及扬、益之间的交通，雍州刺史赵伦之将其击败。后秦不断骚扰，成为东晋大患，北伐呼声渐高。八月，刘裕亲率大军北伐后秦。
北伐大军分四路挺进，一路由王镇恶、檀道济率领步兵自淮、泗进取许昌、洛阳；一路由沈林子、高遵考率领水军，与王镇恶等配合，由汴水经荥阳石门入河；一路由沈田子、傅弘之率领，径取武关；一路由王仲德率领水军，由桓公渎自淮入泗，自泗入清、济，自清入河。刘裕自己率领主力，也走王仲德这条路线。
义熙十三年（417）初，刘裕率主力从彭城至黄河，溯流西上。先下洛阳，又抵潼关，破魏败秦，直逼长安。
刘裕率主力到了潼关，命王镇恶率水军溯渭水西上，直趋长安。王镇恶率军来到渭桥（今陕西西安市东北），令将士吃饱之后，便弃船登岸，所乘船舰马上随流漂去，转眼踪迹全无。这时后秦后主姚泓屯集在长安城下的兵力犹有数万之众。王镇恶激励将士道：“诸位家都在江南，这里是长安城北门外，离家万里，而船只衣粮全已随流而去，岂有求生之计！唯有死战，可以立大功，不然，谁也别想活着回去！”众人听了，莫不踊跃争先，后秦军队一时溃散，姚泓单骑还宫。王镇恶攻陷长安，姚泓率妻子、群臣出降。
九月，刘裕至长安。刘裕下令将姚泓送至建康斩首。又亲自拜谒汉高祖陵，在未央殿大会文武。到十一月，忽传刘穆之病亡。刘裕闻讯，惊恸哀惋，多日不解。刘穆之死后，京师空虚，有大权旁落的危险，再加上将士久役思归，所以刘裕决意东归。
流寓关中的陇右流民，本来盼他继续出兵收复陇右；听说他要收兵南归，都大失所望。三秦父老流泪赶来挽留，向他诉说：“残民不沾王化，至今有百年了，今日得见王师，人人相贺。公是汉家子孙，长安十陵，是公家坟墓，咸阳宫殿，是公家室宅，舍弃这些，要到哪里去啊。”刘裕心里有些不忍，忙好言劝慰了一番。
刘裕退兵前，以次子、年仅12岁的刘义真为安西将军，镇守长安；以王修为安西长史，辅佐刘义真；以王镇恶为安西司马，沈田子、毛德祖为安西中军参军，率兵万余留守关中。沈田子、傅弘之多次向他状告王镇恶，但刘裕却对这种危险情绪未加及时引导。
刘裕仓促撤兵后，夏主赫连勃勃迅速调兵遣将，争夺关中。大敌当前，沈田子轻信谣言，杀死了王镇恶。长吏王修责备沈田子专戮节将，征得刘义真同意后杀了沈田子。后来，刘义真又听信左右谗言，杀害了王修。王修一死，晋军军心大乱，刘义真只好调回渭北的所有驻兵，集中防守长安。北伐时收复的关中郡县逐渐被赫连勃勃攻占，长安也被围困。
刘裕在彭城，得知长安被围，急派蒯恩前去保护刘义真东归，又派朱龄石为雍州刺史，代镇长安，嘱其到长安后，要刘义真轻装速发；如陇右不可守，可与刘义真一起回来。
刘义真撤离长安时，将士大肆抢掠，车上满载宝货子女，一天不过行进十里。夏兵追及，蒯恩、傅弘之断后，力战数日，至青泥全军覆没，二将力疲被俘，刘义真单骑逃出，藏于草丛之中。
刘裕听到青泥大败的消息，不知刘义真死活，急得团团转，下令即日北伐。侍中谢晦劝道：“士卒疲劳，北伐之事可待来年。”刘裕不听。其他大臣也上表劝阻，正好又得知刘义真已逃脱性命，刘裕也就不提再次北伐的事了。
荣登帝位建朝刘宋
义熙十四年（418）六月，刘裕受命为相国、宋公，加九锡。加九锡是禅位之前的一种荣典，但他此时并不急于马上称帝。因为谶语有“‘昌明）之后尚有二帝”之言，所以他想在司马德宗之后再立一帝，以应“二帝”之语。十二月，刘裕指使中书侍郎害死白痴皇帝司马德宗，随后奉司马德宗的同母弟、琅琊王司马德文为帝。
新皇帝即位不久，元熙元年（419）正月，下令刘裕进爵为王。这虽然是刘裕梦寐以求的，但他还是假意推辞。至七月，刘裕始受进爵之命。八月，移镇寿阳。他嫌河南萧条，怕委屈了次子刘义真，特将其以司州刺史任上调任扬州刺史。
十二月，刘裕加殊礼，冕有十二旒，建天子旌旗，出警入跸，乘金银车，驾六马，备五时副车等。刘裕急于受禅，但又不好自己开口，便于元熙二年（42O）元月，召集宋国朝臣欢宴。席间，他不慌不忙地说：“桓玄篡位，鼎命已移。我首唱大义，兴复帝室，南征北伐，平定四海，功成业著。遂加九锡。眼看我年事已高，物忌盛满，不可久安。今欲奉还爵位，归老京师。”群臣听了，不解其意，只是争先恐后一个劲赞颂他的功绩。晚上席散之后，中书令傅亮细一琢磨，忽然醒悟，连忙赶回。这时宫门已闭，傅亮叩门请见，刘裕马上开门与他见面。傅亮进门后只说：“臣欲回建康一趟。”刘裕明白他的意思，也不挑明，直接问：“需几人跟随？”答：“数十人就可以了。”说完告辞。
傅亮入京后，授意朝廷召刘裕入京辅政。四月，皇帝下诏，召刘裕入京。刘裕安排儿子刘义康为豫州刺史，镇寿阳，自己于六月入京。傅亮又暗示皇帝司马德文禅位，刘裕荣登皇帝宝座。
即位后，刘裕下令赦免因逃避兵役、租税而流亡，在限期内还家者，可以蠲租布二年；人民拖欠政府的诸种债务，不再收取，这些措施，得到人民的欢迎。
永初三年（422）三月，刘裕病重，群臣请求为他祈祷神祇，刘裕素不信鬼怪神灵之类，所以拒绝大臣的请求，只让侍中谢方明将他的病告诉宗庙而已。
五月，刘裕病危，召太子刘义符到跟前，嘱咐说：“檀道济虽有干略，而无远志，不像其兄檀韶有难御之气。徐羡之、傅亮当无异志。谢晦数从我北伐，颇识机变，日后若有同异，必是此人。”又亲自写诏：“后世若有幼主，朝事一委宰相，母后不烦临朝。”命司空徐羡之、中书令傅亮、领军将军谢晦、镇北将军檀道济为顾命大臣，辅佐幼主。后事安排停当，刘裕于西殿溘然去世，终年6O岁。在位首尾3年。七月，葬于建康蒋山初宁陵。庙号“高祖”，谥曰“武皇帝”。