枋头之战
建熙十年（369年）四月，东晋大司马桓温北伐前燕，诸将都无法抵抗晋军，让晋军于七月进驻枋头（今河南浚县）。当时慕容暐及慕容评皆大惊，想逃回故都龙城避难。慕容垂于是请求让他出战。慕容暐就任命他接替慕容臧担任南讨大都督，率慕容德等五万兵出战。慕容垂又请了黄门侍郎封孚、司徒左长史申胤及尚书郎悉罗腾从军。桓温当时以降人段思为响导，悉罗腾与晋军接战，生擒了段思；接着桓温派李述进攻，又被悉罗腾所败，李述更战死，晋军士气于是下降。同时慕容德等又至石门阻止晋军开通漕运，豫州刺史李邽又断晋军粮道，桓温屡战不利，粮食又不足，终于九月循陆路撤军。当时诸将打算立刻追击，但慕容垂以晋军初退，必定严加戒备，以精锐军队断后，于是打算迟点才追击，待晋军乘追兵未至而加速行军，令兵士筋疲力尽时才进攻。慕容垂因而率领八千骑兵缓缓尾随晋军，发现桓温果然在看不见追兵后加速。数日后慕容垂下令进攻，骑兵于是加速，于襄邑（今河南睢县西）赶上晋军，配合慕容德所率埋伏于襄邑的伏兵夹击桓温，于是大败晋军，杀三万人。桓温只有收拾残军南退。
出奔前秦
枋头之战大胜后，慕容垂威名大振，却令慕容评更加嫌忌他，慕容垂上请有战功的将领获得封赏都没得批准，两人就因此事在廷上互相争论，更加深化了两人的嫌隙。时为太后的可足浑皇后亦厌恶慕容垂，于是与慕容评密谋诛除他。慕容恪子慕容楷及慕容垂舅舅兰建得悉阴谋，于是建议慕容垂先发制人，除去慕容臧及慕容评。然而慕容垂却表示宁愿出奔国外亦不想骨肉相残。世子慕容令得知后建议慕容垂北奔龙城，并向慕容暐谢罪，盼望慕容暐感悟召还；即使不然，仍可以固守当地以求自保。慕容垂听从，于同年十一月就上请到大陆泽狩猎，微服潜归龙城。然而到邯郸（今河北邯郸）时，向来不得宠的儿子慕容麟却逃还邺城（今河北临漳西）告发父亲的意图，于是跟随慕容垂的人大多都逃走，慕容强亦奉命追捕慕容垂。至范阳（今河北涿县）时慕容强追上慕容垂，但因慕容令亲自断后，慕容强也不敢进逼。日落后，慕容令表示原本的计划已不再可行，又建议投奔前秦，慕容垂计穷，亦得接受，于是弃用马匹以免留下踪迹，悄悄回邺城并躲于显原陵。不久竟有数百个猎人从四方向他们所在聚集，慕容垂等人敌不过他们，却又无处可逃，什么也做不了。就在此时，猎人的猎鹰却同时飞起，猎人于是散去，慕容垂因而杀白马祭天，与随行者誓盟。慕容令在那时又建议让他回邺城袭杀慕容评，并以慕容垂的名望取而代之，入辅朝廷。但慕容垂以此危险而否决，于是与妻段氏、慕容令、慕容宝、慕容农、慕容楷及兰建、高弼等西奔前秦。前秦天王苻坚得知慕容垂来奔，十分高兴并亲自迎接，以慕容垂为冠军将军，封宾徒侯。
慕容垂奔秦次年，前秦就灭了前燕，而慕容垂在前秦官至京兆尹，进封为泉州侯。建元十八年（382年），苻坚执意要攻伐东晋，苻融、石越、苻宏等人都反对，而慕容垂却说：“弱者被强者所吞，小的被大的兼并，这是合乎自然的，并不难理解。以陛下神武，顺应天期，声威布于海外，百万卫士，满朝韩信、白起那样的良将，晋这个于江南的小国独独违抗王命，怎可以再留她给子孙。《诗经》说：“谋夫孔多，是用不集”陛下自己决定就够了，又何必询问一众朝臣！晋武帝平灭东吴，也不过只有张华、杜预几个臣子支持而已，若果他顺从朝臣主流意见，又怎能成就统一大业！”苻坚听后大喜，更说：“和我一起平定天下的人，就只有你呀。”建元十九年（383年）五月，东晋荆州刺史桓冲北伐，亲率主力进攻襄阳（今湖北襄阳市），慕容垂就与苻叡率兵救援。苻叡以慕容垂为前锋进至沔水，慕容垂在夜间命士兵每人拿十个火把，将它们缚在树枝上，让桓冲以为援军兵力很强，成功逼使他撤还。同年八月，苻坚正式出兵伐晋，并命苻融及慕容垂率二十五万兵作为前锋。苻融攻下了寿春（今安徽寿县），而慕容垂就率别军攻下了郧城（今湖北郧县）。
乘乱自立
十一月，苻坚于淝水大败给晋军，前线的前秦军队溃败，就只有没有参加淝水之战的慕容垂一军是完整的，故此苻坚就率残军投靠他。当时慕容宝等人就劝慕容垂杀了苻坚，但慕容垂不肯，更分兵给苻坚。苻坚到了洛阳后已经又招聚了十多万人，一直到了渑池（今河南渑池县西），慕容垂表示想去安抚河北，并想去拜谒宗庙。苻坚不顾权翼反对而准许慕容垂所请。
当时驻守邺城的苻丕知道慕容垂要来，怀疑他意图作乱，更想袭击他，只是姜让以慕容垂未有谋反举动，劝苻丕先严兵守卫，注意其举动，苻丕才安置慕容垂住在邺城西部。慕容垂当时虽然不肯乘机杀死苻丕，但仍暗中联结前燕旧臣，密谋复国。此时，丁零人翟斌起兵，苻坚命慕容垂讨伐，苻丕一直怕慕容垂于邺城作乱，正就打算借此机会送走他，更期望他与翟斌打得两败俱伤，好让自己消灭两股势力。于是给了慕容垂二千弱兵及差劣的兵器铠甲，更派了苻飞龙为副手，意图以他解决慕容垂。
慕容垂留了慕容农、慕容楷及慕容绍于邺，在行军途中闵亮和李毗就从邺来到，并告知苻丕与苻飞龙的图谋。慕容垂于是以此激怒士众，又以兵少为由留于河内郡募兵，十日间就令部众增至八千人。及后正受翟斌攻击的豫州刺史苻晖请慕容垂快点进兵，慕容垂向苻飞龙说要改在夜里行军，出其不意，然而其实就已与诸子计划袭杀苻飞龙，终在晚上袭杀了苻飞龙及他手下的一千氐兵。第二日，慕容垂命田山回邺告知留于邺城的慕容农等起兵响应自己，三人于是与数十骑微服出走，在列人（今河北肥乡县东北）起兵。
燕元元年（384年），慕容垂图攻洛阳，当时翟斌帐下有前燕宗室慕容凤及前燕旧臣之子段延等，都劝翟斌奉慕容垂为盟主，慕容垂原本不知翟斌究竟是否真心归附，并没答允，但到洛阳后苻晖因知苻飞龙遇害而拒绝以营救苻晖为名的慕容垂进城，至此慕容垂才接受了翟斌。不久慕容垂以洛阳是四战之地，于是改攻邺城，至荥阳（今河南荥阳）时，群下请慕容垂称帝，慕容垂则以晋元帝的先例，先称大将军、大都督，燕王，承制行事。接着率二十多万大军直攻邺城。慕容垂至邺后改元“燕元”。