吞并南燕
义熙五年（409年），南燕皇帝慕容超因为缺乏太乐伎人，派兵侵略淮北的宿豫城（今江苏宿迁县东南），大掠民众北归。及后又派兵进攻淮北，掳去阳平和济南两郡太守，俘掳千多家。
刘裕因此上表北伐，并于同年四月出发。当时刘裕认为燕军短视，不会据守大岘山（今山东临朐县东南）天险并坚壁清野，只会进据临朐（今山东临朐县），退守都城广固（今山东青州市），而当时南燕军的行动亦果然如此。慕容超知晋军过了大岘山就亲自率军到临朐，刘裕前锋先于巨蔑水击退燕军，接着攻临朐城。晋燕两军于临朐以南作战，胡藩献计出奇兵突袭临朐城内，最终成功攻克，慕容超仓皇自城中逃至城南大军那里，而此时刘裕命军队进攻，大败燕军并斩杀其十多名大将，慕容超于是逃回广固。刘裕接着乘胜追击至广固，并成功攻克其外城。慕容超据守小城抵抗，刘裕就筑围围困广固。刘裕围城战争一直维持至次年二月才攻下广固，并俘杀慕容超，灭了南燕。
北伐关中
刘裕在当日平灭南燕后就已经有攻略后秦的打算，只因卢循作乱才逼令他班师建康，而刘裕在消灭了国内主要异己后，又再重拾昔日计划。刘裕在获加督至二十二州后月余，又获加中外大都督，解徐兖二州刺史而改领司、豫二州刺史，并奉琅琊王司马德文北伐，打着晋朝皇室旗号安抚北方汉人。至五月又加北雍州刺史。终在八月，刘裕正式自建康出兵，进军至彭城（今江苏徐州市）后又加北徐州刺史。十月，刘裕所派的檀道济等进攻洛阳（今河南洛阳市），守将姚洸出降，成功收复洛阳。
次年（417年）正月，刘裕自彭城率水军西进，进入黄河。刘裕一直进军至潼关，命王镇恶率军经渭河进攻后秦都城长安（今陕西西安市），王镇恶于渭桥大败姚丕，姚泓所率的军队亦因遭姚丕败兵践踏而溃乱，最终姚泓于八月出降，后秦灭亡。刘裕于次月到达长安，大赏将士并诛杀归降的后秦宗室姚璞、姚赞及其百多名宗族。
同年十一月，留守建康的刘穆之去世，当时刘裕还想以长安做基地进攻西北北凉等国，只是诸将都思乡，大多都不想留下；刘裕向来倚重的刘穆之去世更令他觉得建康根本之地已空虚无靠，于是下了决心班师东归。刘裕于是留了当时仅得十一岁的次子刘义真镇守长安，并留下王镇恶、王修、沈田子、毛德祖等将领协助他。当地人民知道刘裕要走都向他哭诉，希望他回心转意，然而刘裕去意已决，还是在当年十二月出发离开。
然而，刘裕走后次年，诸将内讧，沈田子杀王镇恶，王修杀沈田子，而刘义真又在诸将唆摆下命人杀害王修，于是关中大乱，夏国乘机进攻关中，刘裕唯有召还刘义真，派朱龄石等代镇长安，更指令若关中不能守下去就可放弃。最终晋军还是撤出长安，关中地区遭夏国占领。
篡晋建宋
义熙十四年（418年），刘裕接受相国、总百揆、扬州牧的官职，以十郡建“宋国”，受封为宋公，并接受九锡的特殊礼待。同年，刘裕命令中书侍郎王韶之与晋安帝左右侍从密谋以毒酒毒杀安帝，王韶之于是乘司马德文因病出宫的机会下手，缢杀安帝。当时刘裕因为相信预言书说：“昌明（晋孝武帝）之后尚有二帝”，于是声称依照遗诏，立了司马德文为皇帝，即晋恭帝。
元熙元年（419年），刘裕进爵为宋王，又加十郡增益宋国，令宋国包括了二十郡。年末刘裕又获加皇帝规格的的十二旒冕、天子旌旗等一系列特殊礼待。元熙二年（420年），刘裕入辅，傅亮知刘裕想要晋恭帝禅让帝位予他但难于启齿，于是代为向恭帝暗示，恭帝于是在六月禅让帝位给刘裕，东晋灭亡，刘裕即位为帝，改国号为“宋”，改元永初。刘裕在称帝之后，为了斩草除根，还杀掉了恭帝。此行为可谓刘裕一生中一个污点，因为其行为开启了前朝逊位之主不得善终之先（新朝王莽之于西汉孺子婴、曹魏文帝曹丕之于东汉献帝刘协、西晋武帝司马炎之于曹魏元帝曹奂，都没有加害前朝末主），至此，南朝末主除了陈后主陈叔宝其亡国非遭逢篡位外，全都俱被新立的政权所杀。
永初三年（422年），刘裕患病，五月病重时遗命司空徐羡之、尚书仆射傅亮、领军将军谢晦及护军将军檀道济四人为顾命大臣，辅助太子刘义符。刘裕于五月癸亥日（6月26日）去世，享年六十岁。庙号高祖，谥为武皇帝，葬在初宁陵（今江苏南京紫金山）。