自410年至417年間，劉裕兩度北伐，那真是金戈鐵馬，氣吞萬里如虎，威鎮北中國。當時，佔據山東地區的鮮卑慕容氏南燕政權乘東晉桓玄之亂之際，屢次侵擾東晉邊境。義熙五年(409年)2月，慕容超大掠淮北，劉裕興兵北伐。於次年攻破南燕都城廣固(今山東益都西北)，收復青、兗兩州，追獲慕容超，斬首建康。南燕滅亡，東晉的疆域由此向北擴大到青州(今山東境內)一帶，與北魏毗鄰。義熙十二年(417年)，後秦主姚興病卒，子姚泓繼立，兄弟相殺，關中擾亂，劉裕乘機率大軍分兵四路北伐後秦，進攻關洛。途經黃河，擊敗北魏軍，翌年克洛陽，取潼關，直逼長安，姚泓投降，後秦亡。長安城頭重新插上了漢家王師的大旗，在少數民族統治下達百年之久的漢族百姓紛紛簞食壺漿，出迎王師，街衢為之填塞。
那時候，雖然北方鮮卑族建立的北魏開始強大起來，其勢力已經發展到黃河北岸，但劉裕成功地阻止了北魏的擴張，使其不敢南下牧馬，把東晉朝的防線由江淮向北推進到黃河南岸。奪取了北方廣大地域以及長安、洛陽兩大古都。關中地區以及潼關以東、黃河以南已為南朝版圖，江淮流域得到保障，這是祖逖、桓溫、謝安經營百年所未能達到的。
北伐的勝利，使劉裕聲望大著。統一中國的曙光馬上就要出現了。但是，劉裕卻沒有乘勝追擊，而是一心一意想著篡位，這或許是古今中外權臣的共同宿命，劉裕又重複了當初桓玄所走過的那條舊路。
那時，劉裕已是60歲的人了，為了在有生之年實現皇帝夢，他便利用幾次凱旋回京的機會，想伺機害死安帝。但安帝的弟弟、琅琊王司馬德文機敏聰慧，他知道劉裕心懷鬼胎，便日夜守在安帝身邊。安帝的飲食，也要親口品嚐，以防有人對安帝下毒。據說，當初有讖語：「昌明之後有二帝」，意思是說在晉孝武帝之後晉朝還要再傳兩任皇帝。劉裕無機可乘，焦急萬分。世上不怕沒有機會，就怕有人惦記。劉裕終於逮著個機會：義熙十四年(418年)12月戊寅，司馬德文突然患病，不得不回府醫治。琅琊王剛一離開，劉裕便指使心腹、中書侍郎王韶之潛入皇宮，縊殺掉晉安帝(37歲)。
安帝死後，劉裕假作遺詔，推琅琊王司馬德文嗣位。是為恭帝，改元元熙。司馬德文知其兄為劉裕所害，但懼於劉裕在朝中的勢力，也不敢去追究。
劉裕本指望司馬德文能以禪位的形式，把帝位讓給自己，誰知一年過去了，恭帝仍無禪讓之意。只是在元熙元年(419年)正月初三日，下詔封劉裕為宋王，賜九錫。劉裕當然不會滿意。於是，他派人散佈風聲，說宋王功高，要晉室讓賢。
劉裕急欲登上帝位，但晉恭帝卻佯裝不知，而自己又難於啟齒。一次，他在長安召集手下朝臣飲酒歡宴。在筵席上，劉裕若無其事地說：「當年桓玄篡位，晉國大權旁落。是我首倡義舉，復興皇室，承蒙皇上恩賜而有九錫之尊。如今我的年紀也快老了，地位又如此尊崇，無以復加了，天下的事最忌諱裝得太滿而盈溢出來，那樣就不可以得到長久的安寧了，現在我要將爵位奉還皇上，回到京師頤養天年。」
群臣不理解他的真正含意，只是一味盛稱他的功德。這日天色已晚，群臣散去。中書令傅亮走出宮門，方才悟出宋王一席話的弦外之音，馬上返回。但宮門已經關閉，傅亮便叩門請求見宋王，宋王即令開門召見他。傅亮入宮，只說：「我應該暫且返回京師建康。」劉裕明白他的用意，也不再多說什麼，直接問：「你需要多少人護送?」傅亮答道：「數十人足矣。」遂與劉裕辭別。傅亮出宮時，只見彗星劃過夜空，傅亮拊掌歎道：「我過去常不信天象，今天看來，這天像要應驗了。」
419年，傅亮從長安回到建康，正是夏歷4月，在朝廷坐鎮的尚書左僕射劉穆之病故，晉恭帝遂徵召劉裕入京輔弼。劉裕怕政權旁落他人之手，便留次子劉義真(12歲)鎮長安，王修、王鎮惡等輔佐，自己倉猝帶兵返回南方。長安留守軍發生內訌，胡夏國主赫連勃勃乘機奪取關中。導致關中之地得而復失，劉義真被迫撤出長安。從此之後，南朝再無攻入長安之舉。
420年6月11日，傅亮按預先和宋王商量好的辦法，勸恭帝禪位，並草擬好了詔書，請恭帝再手抄一遍。恭帝一邊抄，一邊對左右侍從說：「桓玄作亂的時候，晉室就已失掉天下，後賴劉公討伐桓玄，才又使晉朝延續了20年。今日禪位給他，是我心甘情願的。」
恭帝司馬德文讓位，又重新回到琅琊王府第，後又被封為零陵王。14日，劉裕即帝位。至此，晉室滅亡。劉裕改國號為「宋」，定都建康(江蘇南京)。劉裕就是宋武帝。為區別於後世趙匡胤建立的宋朝，史學家稱之為「劉宋」。
劉宋開國，標誌著中國歷史正式進入南北朝對峙時期。
作為一個沒有任何背景的沒落貧民，劉裕一直是靠實打硬拚的勇猛血戰博取功名。他之所以能夠掌握東晉大權並取而代之，除了個人的才幹外，東晉皇權的衰落和士族的腐朽也給他提供了契機。由於劉裕出身貧寒，又看到了東晉因大族屢屢興兵反抗而使其滅亡的教訓，故而在他登基後，不再重用名門大族，大量提拔有真才實學的「寒人」。結束了士族門閥政治，標誌著寒門地主掌握了政權，緩和了階級矛盾，創造了東晉以來最好的政治局面。劉裕之後，其子宋文帝劉義隆在位30年，沒有發生較大戰爭，經濟發展，社會安定，史稱：「兵車勿用，民不外勞，役寬務簡，氓庶繁息，至餘糧棲畝，戶不夜扃」。這就是著名的「元嘉之治」。
北魏軍事謀略家崔浩對劉裕評價很高，說：「奮起寒微，不階尺土，討滅桓玄，興復晉室，北擒慕容超，南梟盧循，所向無前，非其才之過人，安能如是乎!」清代思想家王夫之也說：「裕之為功天下，烈於曹操。」
劉裕在中國歷史上是個比較明智的帝王，堪稱一代有為之君。劉宋王朝共歷8帝，59年。