侵夺邺城
慕容垂接着引兵攻邺，苻丕派了姜让去责备慕容垂，又劝他放弃叛变。然而慕容垂却表示只想苻丕和平离开，献出邺城，并允诺与前秦世代友好；又恐吓若果苻丕不从，将要以兵力强攻，怕苻丕到时即使想全身而退也不能。姜让听后指责慕容垂背叛王室，不顾昔日前秦收留自己的恩德，现在要做叛逆的鬼。慕容垂听后沉默，但没有听从旁人所说将姜让杀害，反表示尊敬，让他回去。然而最终仍然陈述利害，劝苻丕弃城出走，激得苻坚及苻丕再写书指责。游说不果后，燕军开始进攻邺城，并攻下其外城，苻丕退守中城。接着慕容垂又用二十多万丁零及乌桓人用梯及地道战术攻城，但都不成功，于是下令修筑长围作防守，筑新兴城放置辎重，作长期战。不久又以漳水灌城，仍不能攻下，于是改为围困邺城，只留西边缺口让秦军西走。
燕元二年（385年）四月，东晋将领刘牢之入援邺城，慕容垂小败，于是撤围退屯新城，不久再北撤，刘牢之于是追击，苻丕闻讯亦率军后继，刘牢之一路追击至五桥泽，因为军队忙于抢夺燕军辎重而遭慕容垂击败。至八月，苻丕弃守邺城，燕军终成功占领邺城。十二月，慕容垂正式定都中山（今河北定州市）。燕元三年（386年），慕容垂称帝，二月改元“建兴”，始置百官。八月，慕容垂率兵南征以扩疆土，并于次年正月袭河东地区，击败晋济北太守温详。
攻灭西燕
慕容柔、慕容盛及慕容会于建兴三年（387年）从西燕都城长子（今山西长子县西）到达中山，投奔后燕，当时慕容垂就问当地情况，意图攻取。建兴八年（392年），慕容垂率军击溃了丁零人翟钊，吞并了其部众。次年十一月，慕容垂就亲率七万兵西征西燕；次年二月慕容垂大发司、冀、青、兖四州兵，分置各兵准备进攻。至五月，燕军经天井关进攻台壁，先后击败大逸豆归及小逸豆归，围困了台壁。慕容永自太行回军台壁，慕容垂亦率军到台壁，两军于是交战。事前慕容垂派了骁骑将军慕容国在涧下设伏，于是假装撤退引慕容永追击，数里后慕容国伏兵出现断慕容永后路，燕军于是四面进攻，大败慕容永。慕容永败后逃回长子，慕容垂就于六月追至，并围困城池。至八月，被围的慕容永困急，先后向东晋及北魏求援，但在援军到来前大逸豆归部将伐勤就开城门迎燕军，慕容垂于是俘虏慕容永并将其杀害，吞并了西燕。
两度伐魏
建兴二年（386年），拓跋珪复代国，不久改称魏王，建立了北魏。同年因国内不稳而请后燕援军，慕容垂派慕容麟救援，终助拓跋珪解决事件。事后虽然拓跋珪不接受后燕封爵，但燕魏两国每年都有使臣往来。建兴七年（391年），拓跋珪派弟弟拓跋觚出使后燕，但当时主事的慕容垂诸子为求良马，竟扣留了拓跋觚，如此令拓跋珪中断两国交往。至建兴十一年（395年）五月，慕容垂因北魏侵扰边塞诸郡而命太子慕容宝等人率兵伐魏。当时魏军率众回避，燕军于七月到了五原（今内蒙古包头西北），收降三万多家及大量粮食，但未与魏军决战。而拓跋珪乘当时慕容垂患病，故意阻截燕军通往中山的道通，捕捉后燕使者，令燕军与其国内通讯断绝，从而以慕容垂已死的假消息扰动燕军军心。两军自九月临五原河相持至十月，慕容宝及慕容麟因为慕容麟部将慕舆嵩相信慕容垂死讯而图谋作乱的事件而互相猜疑，终于烧船乘夜撤退。当时河面尚未结冰，慕容宝认为魏军不能渡河追击，于是不设斥候监视魏军。至十一月，魏军因暴风令河面结冰而追击，在参合陂追上燕军，并发动突袭大败燕军，大量文武官员及四五万人的燕军士兵都被俘，后北魏更坑杀全数燕军士兵。
慕容宝败逃回中山，并以参合陂之战为耻，再请进攻北魏。当时司徒慕容德建言说慕容宝大败后已被北魏轻视，想要慕容垂亲自率兵征服他们，以免留为后患。慕容垂于是命幽州牧慕容隆及留守蓟城行台的慕容盛率手下精兵到中山，决定次年再度伐魏。
三月，慕容垂秘密出兵，跨越青岭（今河北易县西南五回山），经天门（今河北涞源县）凿山开路，出魏军不意直攻云中郡。慕容垂率军至猎岭（今山西代县夏屋山）时就命慕容隆及慕容农为前锋，进袭平城（今山西大同市）。当时燕国军队都因参合陂之战大败而畏惧魏军，就只有慕容隆这批来自龙城的士兵仍然奋勇进攻；而留守平城的魏将拓跋虔亦没作防备，故此在闰三月慕容隆兵临平城时才发现燕军，率众抵抗，最终败死，部众都被燕军接收。拓跋虔战死的消息令身处盛乐（今内蒙古和林格尔北）的拓跋珪感到恐惧，打算出走回避，但各诸知拓跋虔死讯亦各怀二心，令拓跋珪不知何去何从。
慕容垂经过参合陂战场时看见被坑杀的士兵骸骨堆积如山，就为他们置祭，士兵们见此皆伤心痛哭，这令慕容垂既惭愧又愤恨，终因而呕血病发，要坐马车前进，到平城西北三十里处停驻。当时慕容宝已领兵至云中，闻讯亦退兵。有叛燕军人就因而向北魏报告慕容垂已死的消息，拓跋珪想去追击，但知平城陷落后就打消念头。慕容垂在平城停留了十日后病情加重，于是修筑燕昌城而南归，至四月癸未日（6月2日）于沮阳（今河北怀来县）去世，享年七十一岁。谥号为成武皇帝，庙号世祖。