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不久，殷仲堪等的矛盾渐渐激化起来。殷仲堪担心桓玄跋扈，遂与杨佺期结为婚姻，相互支援；桓玄敌不过二人，害怕被击灭，于是上书朝廷，要求扩大自己的辖区。司马道子、司马元显也想借机挑起矛盾，让他们互相残杀，以达到坐收渔翁之利的目的，遂下令分杨佺期所督长沙、衡阳、湘东、零陵四郡归桓玄管辖，又以桓玄之兄桓伟取代杨佺期之兄杨广为南蛮校尉。杨佺期火冒三丈，即刻调集人马，声称援救洛阳，暗中想联合殷仲堪共击桓玄。殷仲堪顾虑重重，既畏惧杨佺期兄弟骁勇，难以对付；又担心桓玄一旦被击灭，杨氏兄弟得势，自己反而受害，故极力予以阻止。杨佺期孤掌难鸣，只好忍气吞声。
399年，荆州发大水，平地水深三尺，殷仲堪赈恤饥民，仓库空竭。桓玄乘机率军西上，首先袭取了屯积粮草的巴陵，继而进兵杨口，败殷仲堪之侄殷道护，随后占领距江陵二十里的零口。殷仲堪见大势不妙，急召杨佺期相救，终因粮草奇缺而惨败，二人都被击斩。400年三月，桓玄一举夺得荆、雍二州，随即上表朝廷，求领荆、江二州刺史，朝廷授以都督荆、司、雍、秦、梁、益、宁七州，后将军，荆州刺史，假节，以桓脩为江州刺史。桓玄不满意，上疏坚持领江州，朝廷不得已，加桓玄都督江州及扬豫八郡，并领江州刺史。桓玄自己任命兄桓伟为冠军将军，雍州刺史，侄子桓振为淮南太守。这时，浙东一带的孙恩民变势大，朝廷忙于派兵镇压，无暇西顾（值得一提的是，后来的宋武帝刘裕乘着镇压孙恩，从一名北府兵参军变成了名震当时的勇将）。司马元显代父执掌朝政后，继续用佞臣，树亲党，聚敛无度，朝纲紊乱。加之桓氏子弟布列朝野，势力强大，故桓玄的种种非分之求，朝廷都有求必应。
桓玄此时独霸荆楚，兵强马壮，广树腹心，安插亲信。他踌躇满志，自以为东晋天下三分有其二，而司马氏气数已尽，故多次指使人替自己上祯祥、献符瑞。在建康的司马道子和司马元显对悬在头顶上的利剑却毫无反应，他们父子二人同任录尚书事，人们叫道子为东录，元显为西录。东录门可罗雀，西录门口的停车场则永远爆满。元显的亲信不是自命豪杰，就是自诩风流名士，却没有几个能派用场的。元显只是个刚成年的少男，但是骄傲自大，公卿百官见了他都要下拜。政府财政困难，元显的家财却不停地增长。他们对西边的桓玄和东边的孙恩的威胁毫无感觉。
孙恩的变民军在扬州地区屡败政府军，无人能制。晋廷只好派出北府兵，可是孙恩刻意避开北府兵，专找地方部队这样的软柿子捏，战果非常显著，并于401年进逼建康，桓玄得知后请缨征讨，孙恩很快就退兵，司马元显马上发诏书制止桓玄进军。桓玄写信指斥执政说：“今日朝廷显贵心腹，谁是时流清望？岂能说没有佳胜者，只是不能信任罢了。因为住昔朝政的失误，才酿成今日之祸患。朝廷上的君子，怎能没有看法，但因有身家性命之虑，故不敢说话。我忝任在外，所以能揭露事实。”司马元显读后大为恐慌，准备征讨桓玄。桓玄部下、武昌太守庾楷则担心桓玄结怨朝廷，一旦失败而祸及自己，暗中派人与司马元显联系，答应作为内应，司马元显大喜。桓玄派人切断长江航运，致使建康漕运不佳，公私匮乏，官军士兵不得不以谷皮、橡子充饥，给司马元显造成严重困难。
402年一月，司马元显以镇北将军刘牢之为前锋都督，以前将军谯王司马尚之为后部，称诏举兵伐玄。官军将要出发，桓玄堂兄桓石生时为太傅长史，及时送来了紧急秘报。桓玄心中恐惧，打算固守江陵。长史卞范之献计说：“公威名远扬，谋略震动天下，司马元显乳臭未干，刘牢之不得人心，如果兵临京畿，恩威并施，则土崩瓦解之势可翘足而待，哪有延敌入境而自己削弱自己的道理？”桓玄闻言大悦，当即留下桓伟守江陵，上表朝廷，率师沿江东下。兵抵寻阳，发布檄文，列举司马元显的种种罪行。檄文传到京都，司马元显吓得不敢下令开船。桓玄兴师甚失人心，自觉以下犯上，惟恐将士不为所用。及至兵过寻阳，不见政府军踪影，不禁大喜过望，将士们也个个精神振奋，沿路如入无人之境。兵抵姑孰，击败谯王司马尚之，襄城太守司马休之弃城而逃。当时，刘牢之驻扎在冽洲，按兵不动。桓玄遣使劝降，虽然刘牢之的儿子刘敬宣、外甥何无忌和刘裕都劝刘牢之不要走背叛的路，可是刘牢之说：“平玄之后，令我奈骠骑何（司马元显此时任骠骑大将军）？”想利用桓玄除掉司马道子父子，于是他于三月归降。桓玄挥兵直驱建康城外的新亭，司马元显不战自溃，弃船逃回京城，此时身边只有张法顺一人跟随。司马元显无计可施，只是与其父司马道子在相府相对而泣。桓玄兵至建康城，只喊了一声：“放仗（放下武器）！”桓玄进入建康，司马父子都被擒获。
桓玄紧接着马上矫诏自命为总百揆，加侍中、都督中外诸军事、丞相、录尚书事、扬州牧，领徐州刺史；又加假黄钺、羽葆鼓吹、班剑二十人等，署置丞相府的大小僚属。杀死司马元显、谯王司马尚之、尚之之弟恢之、允之及庾楷父子等人；流放司马道子到安成郡，还没到就干脆把他毒死；解除刘牢之的兵权，用为会稽内史。继而布置亲信占据要津。刘牢之一上来就被剥夺了兵权，想要造反，刘裕认为不可能成功，参军刘袭则说：“将军往年先反王兖州（兖州刺史王恭），今日反司马郎君，现在又要反桓公。一人三反，何以自立！”说完就走了，其他将校也多半离他而去。一代勇将刘牢之走投无路，自缢而死。其子刘敬宣和宗室司马休之逃往后秦避难。
四月，桓玄出镇姑孰，姑孰当长江重要渡口，既是豫州治所，又是建康的西南门户，战略地位十分重要。镇姑孰既可以控制朝廷，又可以掌握军事上的主动权，可谓一举两得。桓玄虽出居外镇，但朝中大事都要向他请示报告，小事则由桓谦、卞范之处理。
桓玄当权之初，还能有所作为，政治颇有起色。他大力整肃朝纲，黜凡庸之辈，远奸佞之臣，选用贤才，时局有所好转，京城内一时欢欣鼓舞。为了革除岭南贪污奢糜的弊政，他选派良吏吴隐之出任广州刺史。吴隐之以身作则，廉洁奉公，短期内使岭南风气为之一变。为此，他大加赞赏，称道吴隐之“处可欲之地，而能不改其操”，“革奢务啬，南域改观”，提拔吴隐之为前将军，赐钱五十万，谷千斛。他曾试图革除豪强兼并，强弱相凌，百姓流离的劣政，但因阻力重重，加之政令繁密而无法实行。针对晋末佛教开始盛行、伤政害民的弊端，桓玄还提出沙汰僧尼，打击寺院经济的主张，并亲自下达了淘汰僧尼的命令，规定：除了那些精通佛理、恪守戒律的佛教徒外，其他僧尼一律淘汰，还俗为民。
然而这一切不过是昙花一现，桓玄的奢豪之态不久复萌，政令无常，朋党互起。这时三吴发生大饥馑，饿殍遍地，户口减半，会稽郡人口只剩三、四成，临海、永嘉郡死亡殆尽，殷实人家也竟身穿罗纨，怀抱金玉，闭门相守而饿死。很多士民都把这此饥荒和桓玄的统治联系起来。在这种情况下，他没有设法解决燃眉之急，而是加紧篡权的步伐，首先大杀北府旧将以绝后患。北府旧将大多不是被杀，就是逃往后秦和南燕。
403年二月，桓玄为提高威望，上表请率领诸军扫平河、洛，然后指使朝廷下诏制止，便称“奉诏故止”。九月，使朝廷拜自己为楚王，封十郡，加相国，总百揆，备九锡，楚国置丞相以下官属。为制造舆论，他上表请求返回藩镇，然后自作诏挽留，再上表固请，逼皇帝出手诏坚留。他还暗中指使人献祯祥，呈符瑞。他生性贪鄙，喜爱奇珍异宝，终日珠玉不离手。别人有好字画及佳园美宅，都千方百计地据为己有。不好意思当面抢夺，就以赌博为手段，变着法儿夺取。又喜欢阿谀奉承，厌恶臣下进直言。法令无常，随心所欲，一会儿想废钱币而用谷帛，一会儿又想恢复肉刑，结果一事无成，至使朝野失望，人不安业。
正当桓玄得意之际，一连串的打击接踵而至：先是被他视为左膀右臂的兄长荆州刺史桓伟突然病死；接着殷仲堪的余党、新野人庾仄合众七千，起兵襄阳，赶走了守将冯该；南蛮校尉庾彬等人谋为内应，江陵震动；桓玄之侄桓亮也以讨伐庾仄为名，乘乱起兵罗县，自称平南将军、湘州刺史。这两次事件虽很快被平定下去，但却给桓玄以巨大的精神压力。与此同时，北府兵的中级将领刘裕、何无忌等人又正在酝酿起兵，无疑给桓氏政权造成了最严重的威胁。形势在逆转，如不赶快禅代，皇帝梦难免成为泡影。桓玄急不可待，但北府兵的将士们是否答应是能否成功的关键。于是他派堂兄桓谦赶赴彭城，试探地问刘裕：“楚王功高德重，朝廷的意思是想禅让，你们以为如何？”老奸巨猾的刘裕回答：“楚王是宣武之子，勋德盖世，晋王室衰微，早失民望，趁机禅代，有什么不可以！”桓玄得到报告，便放下心来。403年十二月三日，桓玄逼迫司马德宗（晋安帝）禅位给他，并即皇帝位于姑孰，可是在登基时却发生了一个小插曲：由于桓玄身体过重，结果在登位时一下子坐塌了宝座。百官都不知所措，幸亏殷仲文急中生智说：“这是因为圣德深厚，大地承载不了啊。”这才解了围。
桓玄改年号为永始。迁司马德宗于寻阳，封为平固王；追尊其父桓温为宣武皇帝，庙号太祖；立其妻刘氏为皇后，大封桓氏兄弟子侄为王，文武加官进爵。随后迁居建康宫，修缮宫室，大兴土木。为显示皇帝的尊严，特命工匠制作一辆特号大车，车内可坐三十人，用二百人推着走；为炫耀自己的聪明，百官奏事或一字写得不合体，或语句有些毛病，都要挑出来指摘一番，甚至贬官降职。事必亲躬，或亲自安排值日官，或自选令史一类的小官，诏令一道接一道，主管官员应接不暇。而朝纲大事不抓，法度不立，奏案堆积如山。他又喜欢游猎，常常夜以继日，性情又急躁，呼召严厉，刻不容缓，宫禁内一片喧哗，不成体统。百姓疲累，朝野劳瘁，怨怒思乱者十有八九。
404年二月，刘裕经过周密部署后，联络北府兵将领刘毅、何无忌、刘昶、刘道规、诸葛长民等人，纠集了可怜巴巴的一百多人起兵讨桓玄。桓玄的手下听说刘裕等一百多人就敢于造反，都不把他们放在眼里，只有桓玄非常担心地说：“刘裕是当世的英雄，从前赌博的时曾输得让别人当街打屁股，刘毅从前家里穷得一担米都没有，赌博的时候还敢下百万的赌注，何无忌和刘裕脾气相投，从小就是一块的赌友，三个人都是赤裸裸的赌徒，抱着不输光就通吃的心理造反，怎能说不可怕？（对对手倒是了解得非常透彻，可是为什么没有早对他们做出防备？）”就派出重兵渡江前来围剿。
二月二十七日，刘裕派何无忌扮成朝廷使者，率一百多人赚开城门，一举攻入京口，斩徐州刺史桓脩；进而攻广陵，杀青州刺史桓弘。没多久，就有一千七百多北府兵里退役的老兵油子前来投奔刘裕。刘裕率兵直扑建康，三月，在极为不利的情况下战胜前来抵抗的桓军，阵斩著名猛将吴甫之、射死皇甫敷，到达建康城下。桓玄又急又气，命桓谦、卞范之率兵二万出城御敌。刘裕在战船上就下令士兵饱餐一顿，把剩下的粮食都扔到长江里，以示有去无回，两军在建康城外展开决战。桓玄军虽然人多，但军官很多都是北府兵出身，知道刘裕的厉害，任桓玄怎么催就是不上前。刘裕军站位在上风，趁机放火，桓玄军大乱，自相践踏，刘裕率众突击，桓谦诸军顷刻间溃散。桓玄闻报，匆匆携带儿子桓昇、侄子桓濬，在几千亲信的护卫下，从南掖门仓惶出逃。路遇参军胡藩，胡藩劝他组织抵抗，桓玄一言不发，只顾用马鞭指天，意思是说“天亡我也！”然后策马疾驰，直奔石头城，乘船浮江西去。沿途忍饥挨饿，有时整天吃不上一顿饭，左右弄来一些粗粮，咽不下去，几岁的小儿子桓昇在他胸前背后使劲按摩，桓玄悲不自胜。
桓玄一行逃到寻阳，江州刺史郭昶之提供器用、兵马，这才松了一口气。于是挟司马德宗继续西逃，途中自己作起居注，叙述如何抵御刘裕事，自吹算无遗策，只因诸将违背节度，以致造成败局，并非用兵的过错云云，却把御敌大事抛到了九霄之外。四月，桓玄一行逃到江陵，荆州刺史桓石康迎入帐内。喘息未定，即忙着派人在城南搭造帐篷作为临时宫室，重新署置百官，又大兴刑罚，借以在大败之余重树个人威权，震慑百官将士。大臣殷仲文力谏，桓玄怒气冲冲地说：“汉高祖、魏武帝用兵多次战败，那只是诸将的过失。现今天文对我不利，所以把都城迁回荆楚。而小人愚昧，妄生是非，乱发议论，正应该凶猛一点，哪能施行宽政？”荆州各郡的郡太守们得知桓玄流亡，有人赶紧献媚取宠，派人上表敬问起居，桓玄一概不接受，命令重新上表，庆贺迁徙新都。
荆楚毕竟是桓玄的老巢，不出一月，桓玄收集兵众二万和大批的楼船、器械，又开始得意起来，自负地对左右说：“你们都是从清显的仕途上跟随我的，京都那帮窃权盗位的人将要谢罪军门，到时看着你们凯旋进入石头城，这与神仙相比，又有什么不同！”就在桓玄得意时，刘裕派遣刘毅、何无忌、刘道规率兵追至湓口，桑落洲一战，大败江州刺史郭昶之、游击将军何澹之、江夏太守桓道恭等人，进军寻阳。寻阳上控荆楚，下制建康，是长江中游的战略要地，势在必争。五月，桓玄自江陵急率舟师东下，双方大战于武昌附近的峥嵘州。桓玄所率将士数万，对方不满万人，但却担心吃败仗，常常在座舰旁边停着几艘快船，以备败走，全军毫无斗志。刘毅紧紧抓住战机，乘风纵火，率军奋勇出击，大获全胜。桓玄命人烧毁辎重，连夜狼狈逃去。
桓玄再次逃回江陵城，众人见大势已去，人心惶惶，虽令不行，城内一片混乱。桓玄走投无路，打算逃往汉中投奔梁州刺史桓希。一天深夜，收拾停当，遂率亲近心腹数百人骑马出城西走，刚刚到达城门，左右于黑暗中挥刀向桓玄砍去，没有砍中，秩序顿时大乱，左右心腹互相砍杀，死尸交横于路。桓玄心惊胆颤，勉强逃到船上。恰在这时，益州刺史毛璩派从孙毛祐之。参军费恬率领二百人护送弟弟毛У牧殍牙唇臧苍幔持睹懼蔽感推镄Ｎ荆没栈感胧瘢感藜瓶墒缓猛狻４兄两瓿俏鞯拿痘刂蓿v之、费恬突然向桓玄开弓放箭，矢如雨下，幸臣丁仙期、万盖等人急忙用身子挡住，都被射死，桓玄受了轻伤。益州都护冯迁随着抽刀砍来，桓玄从头上拔下一枚玉导送给他，心惊肉跳地质问：“你是什么人？敢杀天子！”冯迁回答说：“我杀天子的贼罢了！”说完，手起刀落，人头坠地。同时被杀的还有桓石康、桓脩等人，桓昇被擒，斩于江陵城。
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