自410年至417年间，刘裕两度北伐，那真是金戈铁马，气吞万里如虎，威镇北中国。当时，占据山东地区的鲜卑慕容氏南燕政权乘东晋桓玄之乱之际，屡次侵扰东晋边境。义熙五年（409年）2月，慕容超大掠淮北，刘裕兴兵北伐。于次年攻破南燕都城广固（今山东益都西北），收复青、兖两州，追获慕容超，斩首建康。南燕灭亡，东晋的疆域由此向北扩大到青州（今山东境内）一带，与北魏毗邻。义熙十二年（417年），后秦主姚兴病卒，子姚泓继立，兄弟相杀，关中扰乱，刘裕乘机率大军分兵四路北伐后秦，进攻关洛。途经黄河，击败北魏军，翌年克洛阳，取潼关，直逼长安，姚泓投降，后秦亡。长安城头重新插上了汉家王师的大旗，在少数民族统治下达百年之久的汉族百姓纷纷箪食壶浆，出迎王师，街衢为之填塞。
那时候，虽然北方鲜卑族建立的北魏开始强大起来，其势力已经发展到黄河北岸，但刘裕成功地阻止了北魏的扩张，使其不敢南下牧马，把东晋朝的防线由江淮向北推进到黄河南岸。夺取了北方广大地域以及长安、洛阳两大古都。关中地区以及潼关以东、黄河以南已为南朝版图，江淮流域得到保障，这是祖逖、桓温、谢安经营百年所未能达到的。
北伐的胜利，使刘裕声望大著。统一中国的曙光马上就要出现了。但是，刘裕却没有乘胜追击，而是一心一意想着篡位，这或许是古今中外权臣的共同宿命，刘裕又重复了当初桓玄所走过的那条旧路。
那时，刘裕已是60岁的人了，为了在有生之年实现皇帝梦，他便利用几次凯旋回京的机会，想伺机害死安帝。但安帝的弟弟、琅琊王司马德文机敏聪慧，他知道刘裕心怀鬼胎，便日夜守在安帝身边。安帝的饮食，也要亲口品尝，以防有人对安帝下毒。据说，当初有谶语：昌明之后有二帝，意思是说在晋孝武帝之后晋朝还要再传两任皇帝。刘裕无机可乘，焦急万分。世上不怕没有机会，就怕有人惦记。刘裕终于逮着个机会：义熙十四年（418年）12月戊寅，司马德文突然患病，不得不回府医治。琅琊王刚一离开，刘裕便指使心腹、中书侍郎王韶之潜入皇宫，缢杀了晋安帝（37岁）。
安帝死后，刘裕假作遗诏，推琅琊王司马德文嗣位。是为恭帝，改元元熙。司马德文知其兄为刘裕所害，但惧于刘裕在朝中的势力，也不敢去追究。
刘裕本指望司马德文能以禅位的形式，把帝位让给自己，谁知一年过去了，恭帝仍无禅让之意。只是在元熙元年（419年）正月初三日，下诏封刘裕为宋王，赐九锡。刘裕当然不会满意。于是，他派人散布风声，说宋王功高，要晋室让贤。
刘裕急欲登上帝位，但晋恭帝却佯装不知，而自己又难于启齿。一次，他在长安召集手下朝臣饮酒欢宴。在筵席上，刘裕若无其事地说：当年桓玄篡位，晋国大权旁落。是我首倡义举，复兴皇室，承蒙皇上恩赐而有九锡之尊。如今我的年纪也快老了，地位又如此尊崇，无以复加了，天下的事最忌讳装得太满而盈溢出来，那样就不可以得到长久的安宁了，现在我要将爵位奉还皇上，回到京师颐养天年。
群臣不理解他的真正含意，只是一味盛称他的功德。这日天色已晚，群臣散去。中书令傅亮走出宫门，方才悟出宋王一席话的弦外之音，马上返回。但宫门已经关闭，傅亮便叩门请求见宋王，宋王即令开门召见他。傅亮入宫，只说：我应该暂且返回京师建康。刘裕明白他的用意，也不再多说什么，直接问：你需要多少人护送？傅亮答道：数十人足矣。遂与刘裕辞别。傅亮出宫时，只见彗星划过夜空，傅亮拊掌叹道：我过去常不信天象，今天看来，这天象要应验了。
419年，傅亮从长安回到建康，正是夏历4月，在朝廷坐镇的尚书左仆射刘穆之病故，晋恭帝遂征召刘裕入京辅弼。刘裕怕政权旁落他人之手，便留次子刘义真（12岁）镇长安，王修、王镇恶等辅佐，自己仓猝带兵返回南方。长安留守军发生内讧，胡夏国主赫连勃勃乘机夺取关中。导致关中之地得而复失，刘义真被迫撤出长安。从此之后，南朝再无攻入长安之举。
420年6月11日，傅亮按预先和宋王商量好的办法，劝恭帝禅位，并草拟好了诏书，请恭帝再手抄一遍。恭帝一边抄，一边对左右侍从说：桓玄作乱的时候，晋室就已失掉天下，后赖刘公讨伐桓玄，才又使晋朝延续了20年。今日禅位给他，是我心甘情愿的。
恭帝司马德文让位，又重新回到琅琊王府第，后又被封为零陵王。14日，刘裕即帝位。至此，晋室灭亡。刘裕改国号为宋，定都建康（江苏南京）。刘裕就是宋武帝。为区别于后世赵匡胤建立的宋朝，史学家称之为刘宋。
作为一个没有任何背景的没落贫民，刘裕一直是靠实打硬拼的勇猛血战博取功名。他之所以能够掌握东晋大权并取而代之，除了个人的才干外，东晋皇权的衰落和士族的腐朽也给他提供了契机。由于刘裕出身贫寒，又看到了东晋因大族屡屡兴兵反抗而使其灭亡的教训，故而在他登基后，不再重用名门大族，大量提拔有真才实学的寒人。结束了士族门阀政治，标志着寒门地主掌握了政权，缓和了阶级矛盾，创造了东晋以来最好的政治局面。刘裕之后，其子宋文帝刘义隆在位30年，没有发生较大战争，经济发展，社会安定，史称：兵车勿用，民不外劳，役宽务简，氓庶繁息，至余粮栖亩，户不夜扃。这就是著名的元嘉之治。
北魏军事谋略家崔浩对刘裕评价很高，说：奋起寒微，不阶尺土，讨灭桓玄，兴复晋室，北擒慕容超，南枭卢循，所向无前，非其才之过人，安能如是乎！清代思想家王夫之也说：裕之为功天下，烈于曹操。
刘裕在中国历史上是个比较明智的帝王，堪称一代有为之君。刘宋王朝共历8帝，59年。