于是，突然有人秘密告发：都督八郡诸军事兼燕郡太守韩范、渤海太守封融，二人秘密串通，意图谋反！刘穆之随即出其不意，迅速将二人抓捕，尔后稍加审讯，便将他们一起处死。差不多一年前，尚为南燕尚书令的韩范身在洛阳，因为认为后秦将来必定亡于刘裕之手，为了不二次受辱，拒绝了后秦方面的邀请，决定降晋。归晋之后，他曾劝刘裕少杀人，救下了广固城中不少百姓，不失为一个仁厚长者。可惜这个实诚人虽然算对了后秦的结局，却算错了自己的命：他根本就等不到后秦亡国那一天！刘裕和刘穆之的胸襟还是不够宽广啊。时至断头之日，不知韩范会不会后悔？（注：韩范、封融二人在降晋后不久即遭冤杀，这是可以确定的，但史书并没有记载其事发生的确切时间，死于刘毅战败后乃是笔者推断。就所能查到的史料无法判断此事究竟出于刘裕的授意，还是刘穆之自作主张。）
【布防石头城】
面对自己从军以来遭遇的最大危机（就刘裕本人而言，虽然没有当年在吴兴“以一敌千”时那么危险，但当时他就算输了，也不过是一个下级军官，现在他若输掉此战，晋朝马上就得灭亡）。刘裕非常沉着，既没有丝毫的畏惧退缩，更没花片刻时间来踌躇迟疑，而是立即开始了紧张的战前准备。
首先要面对的问题是兵力不足。对此，刘裕相信重赏之下必有勇夫，宣布凡在此战中从军建功者，都依照京口起义的标准进行封赏，晋朝对京口起义有功人员的赏赐之丰厚，在当时是有名的。
现有的兵力应该如何使用呢？有人提议，分兵把守从历阳到建康的各处关口，节节抵抗，让卢循军队每前进一步都要打仗，这样可以最大限度地拖延时间，等待后续的北伐军返回。刘裕不愧为一代大军事家，马上敏锐地指出如此布局带来的危害：“现在贼军人数众多，而我军能战的兵力很少，如果再分散到各个据点，则每处的兵力就更少，难以有效阻挡敌军的行动。而且因为刚刚经历豫章、桑落洲两次大败，城中军民的士气都很低落，所以只要有一个据点的守军被打败，把守其他据点的军队都会变成惊弓之鸟，势将不战自溃！”然后，刘裕提出自己的方略：“现在不如干脆放弃那些关口，将全部主力集中到石头城，再根据敌人的行动相机而动，既使敌人难以判断我军虚实，也不易遭受挫败。慢慢等后续援军辗转集结，再根据情况，调整部署。”
刘裕之所以将兵力集中于石头城，是因为这里的确是个兵家必争的军事要地。据说在著名的赤壁之战前夕，诸葛亮奉命出使东吴，与孙权共商联合抗曹的计划。途经当时还不起眼的秣陵县时，他对此地的山川形势大为赞叹：“钟山龙蟠，石头虎踞，真乃帝王之宅也！”事实证明，诸葛亮的眼力的确非常好，在赤壁之战后不久，孙权就将东吴的大本营迁到了这里，开始扩建城池，并以“建功立业”之意，将秣陵改名建业（之后这个地方改名改得不亦乐乎，先后用过建邺、建康、昇州、上元、集庆路等多个名字，直至改称南京。在历代南北对峙之时，南方王朝的首都多在此地）。为了充分利用当地有利的地势，孙权又在建业城西清凉山（又称石头山）上修建了军事要塞即石头城。石头城以清凉山山体为城基，陡峭的天然崖壁为城墙，环山筑造而成，周长约三公里，西、北两面可以监控长江，南面可以扼住秦淮河口，地势极为险要。它对建业城（即时的建康城）的重要性，类似于蒜山、金山之于京口。
定下迎战方略之后，刘裕调集大批民夫，抢修了石头城的防御设施。同时，为了防止卢循舰队突入秦淮河，他采纳了龙骧将军虞丘进的建议，砍伐大量树木，沿秦淮河流入长江的入口打下大量木桩。同时为了给卢循军登陆制造困难，还从石头城开始，沿着长江江岸和秦淮河南岸，修筑了一条长长的木栅栏。城中的兵器作坊也没闲着，正在加急赶制一种威力强劲的新武器——万钧神弩。总之，卢循到达前几天，在刘裕的高效组织下，建康全城的军民都被调动起来，人人紧张备战，严阵以待。
尽管卢循军的行动有点儿拖沓，可在徐道覆的不住催促之下，还是没让刘裕等待太长时间。五月十四日，即第二次桑落洲会战后的第七天，卢循大军抵达建康城郊淮口。站在建康或石头城城头，都可以看到卢循那遮蔽江面的庞大舰队，于是建康全城宣布戒严！
在石头城城楼上，刘裕的心情仿佛十五个吊桶打水——七上八下，万分紧张地密切注视着卢、徐军队的行动。在此之前，刘裕曾对左右将领提出了自己的判断：“卢循到达之后，如果在新亭（在今南京城南，与石头城类似，也是依山临江修筑的军事重地，但因距建康较远，且有秦淮河相隔，故重要性不及石头城）登陆，紧逼我军，势不两立，那就是来玩命的，其锋芒将不可阻挡！我军不能强行对抗，只能暂时退让，最终的胜负难以预料；如果他把船队停泊到西岸蔡洲（石头城以西，长江中的小岛），则我们打不着他，他也打不着我们，意味着他没有决死的勇气，那我们就安全了！”
动起来了，江面上的战船动起来了！卢循大军的前进方向是：新亭？！石头城上，刘裕的左右脸色大变，连一向沉着的刘裕都沁出了一头冷汗，算了，该来的终究要来，只能拼命了！正在此时，突然发生了让刘裕意想不到的事，只见卢循大军靠近新亭后并未上岸，而是一转船头，驶向了蔡洲，并在那里下船登岸，筑起营垒。刘裕见此情景，大喜过望，只是有点意外：卢循刚才在耍什么花样？
原来就在刚才，五斗米道军的两大首领间发生了重大意见分歧。徐道覆下令：全军在新亭和白石垒（建康城北，今南京下关狮子山）两处登岸，然后焚毁舰船，让大家知道此刻有进无退！战胜可活，战败必死！然后数道并进，让兵少的刘裕顾此失彼，一举拿下建康！但稳重的卢循不敢冒险，终究还是害怕刘裕，连忙阻止说：“据刚得到的情报，我们还未到达前，仆射孟昶就吓得望风自杀。现在我大军兵临城下，按情理推断，对方在这几天，内部很可能发生兵变，我军就可不战而屈人之兵了！如果现在就将全部实力孤注一掷，你能有百分之百的把握打赢刘寄奴？输了后悔就来不及了，还要损失多少将士的生命？所以现在不如立营于蔡洲，以静制动。”
徐道覆着急，反复劝说，但卢循都不听。已经听了你两次了，也该轮到我这个老大说话算数一回了吧？便不顾徐道覆的反对，强令舰船停驻蔡洲。在刘裕一生的军事生涯中，最有可能被打破不败金身的机会，就这样被卢循错过了。徐道覆无奈，只得跺脚叹息说：“我终究要被卢公所误！如果我能遇英雄之主，听凭驱驰，则平定天下并不是难事！”
卢循不敢决战，屯驻蔡洲之后，徐道覆又几次请战，但都被他否决，只是坐守江心小岛，一心等着建康城中有不长眼的兔子一头撞上树桩。
可惜保卫建康城的并不是兔子，而是刘裕，他自然更乐意不战：现在每天都有新的军队从北方撤回，生病的士兵也每天都有人康复。由于卢循虽然到达了城外，却一直无所作为，城中军民的惊慌情绪也慢慢稳定下来，卢循大军在数量上和士气两方面的优势正在对峙中一天天丧失。总之，时间拖得越久对刘裕越有利，最困难的阶段已经在卢循的慷慨赠予中平安无事地从容度过了！天助我也！
这期间，还发生了一个小插曲：朱龄石的弟弟朱超石原本担任何无忌的参军，豫章之战中何无忌战败阵亡，朱超石当了俘虏。徐道覆一看这个年轻人既英锐果敢，又颇通文墨，是个人才，立即把他收编到麾下，当自己的参军。对这样的要求，朱超石同学没有来个宁死不屈，而是觉得好死不如赖活着，顺顺当当地成了一名虔诚度很让人怀疑的道门弟子。等卢循大军到达建康郊外，朱超石瞅了个空子，凭借三寸不烂之舌说动和他同乘一船的人集体脱离卢循，投奔刘裕。刘裕意外得知朱超石平安归来，大为高兴，马上任命他为徐州主簿，留在自己麾下做事。
这件事有一点值得注意：在当时卢循大军声势还很浩大，尽占上风的时候，朱超石竟然能如此容易地说动一船人倒戈，很可能是这船人有相当部分和他一样，也是被卢循、徐道覆收编的晋军降兵。如果这个推断不错，就从一个侧面解释了另外两个问题：卢、徐军队为何能在北伐后数量扩充得这么迅速，以及后来又为何失败得这么快。
为了更好地唬人，随着后续部队的逐渐抵达，刘裕调整了晋军布防：以冠军将军刘敬宣屯驻北郊，辅国将军孟怀玉（孟昶的族弟，孟龙符的哥哥）屯驻丹阳郡之西，建武将军王仲德屯驻越城，广武将军刘默屯驻建阳门外，绕着建康的外围北、西、南三面组成一个看似无懈可击的环形防御。
不过最抢镜头的还不是他们。刘裕将刚刚从原南燕军队中收编的一千名甲骑具装的鲜卑重骑兵交给宁朔将军索邈率领，沿江岸往来巡弋。他们全都披上色彩炫目的虎纹铠甲，举着一丈八尺长的马槊，骑在高头大马之上，威风凛凛。基本没有骑兵的卢循部下这回开了眼界，他们聚在船上观看这支军队，心中惧意顿生，更不敢轻易登陆交战。
【建康保卫战】
战局发展至此就像一部编剧失败的三流电影，本该达到高潮的地方却冷了场。卢循等啊等，等到五月下旬，眼看建康城内一直安如泰山，根本没有发生变乱的迹象，守备力量反而越来越强大，终于有点沉不住气了，他决定进行一次试探性进攻。派了十余条战船突击秦淮河口，靠近江岸时，放下小舟，载人入秦淮河，试图拔出河中的木障，为后续大军攻入秦淮河开路。但因为江面上无所隐蔽，这一行动才刚一开始就为晋军所发觉，刘裕立即调一队弩兵火速赶往迎击。卢循军一靠近木障，早已准备好的晋军一起放箭，小船上的卢循军士无处可避，纷纷中箭落水。晋军使用的弓弩中还有力道十足的“万钧神弩”，一般认为这可能是一种用绞盘上弦，安装在车辆或舟船上的大型床弩，发射速度不快，但威力非常强大，可以一箭洞穿小船上的船板，把小船直接送进江底。在这样猛烈的攻击下，卢循军招架不住，败退回蔡洲。
初战虽然只是小挫，但已经显示出建康的防御实力，要想强攻得手，恐怕是不成的，卢循只得放弃了以舟师攻入秦淮河，迂回到晋军防线侧后的想法。他与徐道覆研究了战况之后，定下了一条声东击西之计。
五月二十八日夜，卢循把军中老弱集中起来，乘坐大部分战船，向建康城北白石垒方向实施佯攻。与此同时，徐道覆率精锐部队借夜色与佯攻部队的掩护，悄悄在新亭登陆，而后设伏于秦淮河以南的密林间（从历史记载的位置推断，埋伏地点可能在今雨花台附近）。
五月二十九日，天明，卢循军的佯攻部队开始对白石垒实施佯攻，蔡洲的战船不断驶向白石，声势非常浩大。驻守石头城的刘裕担心北线有失，决定亲自率军驰援防御北面的刘敬宣。当然，刘裕也想过对方声东击西的可能性，为了防备卢循军从新亭北进攻，特命参军沈林子、徐赤特、刘钟三将防守淮口以东秦淮河一线，并吩咐说：“如果敌军来攻，一定要守住木栅防线，但千万不要出击。”随后，刘裕会合留守建康城中的刘毅、诸葛长民率军赶去支援白石垒。
随着晋军主力被佯攻部队成功调到城北，徐道覆率领的精锐主力借机派出小股部队进至张侯桥，袭击附近的木栅防线。眼见来袭的五斗米道军队不多，徐赤特打算出击，沈林子劝阻他说：“敌军声称要进攻白石，却突然在这里出现，可见他们一定是使用声东击西的策略，这定然只是诱饵。敌军总人数很多，我们的兵力却很少，不如按刘公的吩咐坚守不战，等待北边大军回援，再战不迟。”
但徐赤特不听，他认为卢循军主力都在攻白石，打败这支小股敌军的功劳不可放过，便不管沈林子与刘钟二人，独自率部出击。一出击果然中伏，徐赤特部大败，霎时就阵亡了百余人，徐赤特抛弃剩下的军队，独自爬上一条小艇逃回秦淮河北岸。徐道覆乘胜追击，夺取丹阳郡城，猛攻木栅防线，沈林子与刘钟奋力死守，终于打退了徐道覆第一轮猛攻，但刘钟也负伤退出了战斗。
徐道覆首轮进攻没有成功，决定让士兵稍事休息，再发动第二轮进攻。因为徐赤特部已经溃败，刘钟负伤，沈林子兵力不足，而秦淮河正面又太宽，难以防守，沈林子决定不守木栅防线，渡河南下扼守南塘。南塘是当时秦淮河以南的一个湖泊，清人著《上江两县志》中称，南塘就是今天的南京莫愁湖，但较之历史记载的位置相差太大，估计不准确。真正的南塘可能早已干涸，很多南京古地图都未标注，其具体位置存疑，怀疑在今雨花台与秦淮河之间，因为当时从南面进入建康的陆路主干道要穿过这一地区。有大量历史记载和诗歌都提到过这个地方，南朝民歌《西洲曲》曾有“采莲南塘秋，莲花过人头，低头弄莲子，莲子清如水”，应该是当时建康居民闲暇时赏春游玩的绝佳去处。
沈林子决定守南塘，当然不是因为那里风景好，而是因为那里地形有利。由于受周边复杂水道和大量民居影响，南塘只有一条不宽的堤道可以穿行（虽然卢循拥有不少船只，但由于无法突破秦淮河口的木障，故无法使用水道进军），是往来的捷径。由于堤道狭窄，只需百余人就可以封死，大部队只能站在后边干着急，所以这是个以少抗多的良好阵地。八十六年前，晋朝第二次王敦之乱，晋将苏峻等人正是在这里大败进攻建康的王敦部将沈充、钱凤，一举平定叛乱的。不过，如果进攻一方不攻堤道，肯走远路绕过南塘也是可以的，那样晋军的布防将完全破产，但那样进攻一方花费的时间要长多了，沈林子把宝押在刘裕大军能够及时回援上了。
再说刘裕到达白石垒，发现卢循战船虽多，却只是用弓箭与岸上晋军对射，并不是真正靠近，马上意识到中计，立即命令回师。发现晋军的行动后，卢循也认为决战将至，停止了对白石垒的佯攻，亲率大军乘船南下，支援徐道覆。刘裕回师到达石头城后，得知南线正在交战，但考虑到晋军士兵在数小时内往来奔跑，比较饥饿疲劳，为避免以劳击逸招致败仗，同时他对沈林子的能力也有信心，便命兵士们在石头城解甲休息，洗浴用餐之后再南下增援沈、徐、刘三将。
没过多时，却见败将徐赤特逃到石头城，刘裕问清原委后，极为愤怒：今天差点因为你小子的过错全盘皆输！责备他违背军令，擅自出击，败阵之后又弃军而逃，说罢吩咐立即将其斩首示众。然后刘裕命朱龄石率一千名精锐鲜卑兵士先行赶往南塘支援沈林子，其余大队人马随后跟进。从此项命令来看，这一千鲜卑兵士要有能力赶在其他各队晋军之前到南塘，机动性应该高于其他晋军，因此很可能就是前不久索邈带着沿江作秀的鲜卑重骑兵。
