桓玄常常在战船旁系着小船，以防战败逃跑，因此部众没有斗志。刘毅等人乘风放火，全军精锐奋勇争先，桓玄的军队大败，他烧毁辎重，连夜逃跑。郭铨向刘毅投降。桓玄过去的部将刘统、冯稚等人聚集四百名党羽，袭取并攻破寻阳城。刘毅派遣建威将军刘怀肃讨伐，平定了叛乱。刘怀肃是刘怀敬的弟弟。
桓玄挟持晋安帝乘坐单船向西逃跑，把永安何皇后和王皇后留在巴陵。殷仲文当时在桓玄的战船上，请求离开，乘坐别的船去收拢逃散的士兵，趁机背叛桓玄，侍奉两位皇后逃往夏口，随后返回建康。
己卯日，桓玄与晋安帝到达江陵。冯该劝说桓玄再次东下决战，桓玄不同意，想逃往汉中投奔桓希，但人心涣散，命令无法推行。庚辰日夜里，桓玄安排好出发事宜，城内却已大乱，他只好与一百多名亲信侍从骑马从城西逃出。到城门时，身边的人在暗中砍杀桓玄，但没有砍中，他的部下反而互相残杀，尸体横七竖八。桓玄勉强逃到船上，随从四处逃散，只有卞范之在身边。
辛巳日，荆州别驾王康产侍奉晋安帝进入南郡官署居住，太守王腾之率领文武官员担任侍卫。
桓玄准备前往汉中，屯骑校尉毛修之是毛璩的侄子，引诱桓玄进入蜀地，桓玄听从了他。宁州刺史毛璠是毛璩的弟弟，在任上去世。毛璩派他哥哥的孙子毛佑之和参军费恬率领几百人，护送毛璩的灵柩返回江陵。壬午日，他们在枚回洲遇到桓玄。毛佑之、费恬迎击桓玄，箭如雨下，桓玄的宠臣丁仙期、万盖等人用身体遮挡桓玄，都被射死。益州督护汉嘉人冯迁抽出刀，上前准备砍杀桓玄，桓玄取下头上的玉簪给他，说：“你是什么人，敢杀天子！”冯迁说：“我杀的是弑君叛国的贼寇！”于是斩杀桓玄，又杀死桓石康、桓浚、庾赜之，活捉桓昇押送到江陵，在街市上斩首。晋安帝在江陵恢复帝位，任命毛修之为骁骑将军。甲申日，朝廷宣布大赦，所有因畏惧逼迫而跟随叛逆的人，一律不予追究。戊寅日，将晋朝祖先神主送入太庙。刘毅等人传送桓玄的首级，悬挂在朱雀航上示众。
刘毅等人战胜后，认为大事已定，没有紧急追击桓玄残部，又遇到大风，船只无法前进，桓玄死后将近十天，各路军队还没到达江陵。当时桓谦藏匿在沮中，扬武将军桓振藏匿在华容浦，桓玄过去的部将王稚徽驻守巴陵，派人告诉桓振说“桓歆已经攻克京城，冯稚又攻克寻阳，刘毅等各路军队都已中途败退”。桓振大喜，聚集二百名党羽，袭击江陵，桓谦也聚集部众响应。闰五月己丑日，他们再次攻陷江陵，杀死王康产、王腾之。
桓振在行宫拜见晋安帝，骑马提戈，径直走到台阶下，问桓昇在哪里。得知桓昇已死，他怒目瞪着晋安帝说：“我桓氏家族哪里对不起国家，竟被如此屠灭！”琅邪王司马德文走下坐床说：“这哪里是我们兄弟的本意啊！”桓振想杀晋安帝，桓谦苦苦劝阻，桓振才下马，收敛怒容，行礼后退出。壬辰日，桓振为桓玄举办丧事，设立灵堂，追谥桓玄为武悼皇帝。
癸巳日，桓谦等人率领群臣向晋安帝进献玺绶，说：“陛下（指桓玄）效仿尧禅让给舜，如今楚朝国运不长，百姓之心又回归晋朝了。”任命琅邪王司马德文兼任徐州刺史，桓振为都督八州诸军事、荆州刺史，桓谦恢复侍中、卫将军之职，加授江、豫二州刺史，晋安帝身边的侍从，都是桓振的亲信。
桓振年轻时品行不端，桓玄不把他当作子侄看待。到这时，桓振感叹说：“桓公过去不早点任用我，才导致这样的失败。如果桓公还在，我担任前锋，平定天下不在话下。如今我独自做这些事，能回到哪里去呢？”于是放纵饮酒，沉迷美色，肆意杀人。桓谦劝说桓振领兵东下决战，自己驻守江陵，桓振一向轻视桓谦，不听他的建议。
刘毅到达巴陵，诛杀王稚徽。何无忌、刘道规分别在马头进攻桓谦，在龙泉进攻桓蔚，都打败了对方。桓蔚是桓秘的儿子。
何无忌想乘胜直接进军江陵，刘道规说：“兵法讲究进退有度，不能冒进。桓氏家族世代居住在西楚，部下都会为他们尽力；桓振勇猛冠绝三军，难以与他正面抗衡。我们暂且停战休整，养精蓄锐，再用计策牵制他，不愁不能攻克。”何无忌不听。桓振在灵溪迎战，冯该领兵与他会合，何无忌等人大败，战死一千多人，退回寻阳，与刘毅等人上书请罪。刘裕因刘毅负责统领各路军队，免去他的青州刺史职务。桓振任命桓蔚为雍州刺史，镇守襄阳。
柳约之、罗述、甄季之听说桓玄已死，从白帝进军，到达枝江时，得知何无忌等人在灵溪战败，也领兵撤退。不久，罗述、甄季之都生病去世，柳约之到桓振那里假装投降，想谋划袭击桓振，事情泄露，被桓振杀死。柳约之的司马时延祖、涪陵太守文处茂收拢残余部众，驻守涪陵。
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