五年五月，孙恩陷沪渎，杀吴国内史袁崧，死者数千人。
六月甲戌，孙恩浮海，奄至丹徒，战士十余万，楼船千余艘，建康震骇。乙亥，内外戒严，百官入居省内，冠军将军高素等守石头，辅国将军刘袭栅断淮口，丹阳尹司马恢之戍南岸，冠军将军桓谦等备白石，左卫将军王嘏等屯中堂，征豫州刺史谯王尚之入卫京师。刘牢之自山阴引兵邀击恩，未至而恩已过，乃使刘裕自海盐入援。裕兵不满千人，倍道兼行，与恩俱至丹徒。裕众既少，加以涉远疲劳，而丹徒等军莫有斗志。恩帅众鼓噪，登蒜山，居民皆荷担而立。裕帅所领奔击，大破之，投崖赴水者甚众，恩狼狈，仅得还船。恩犹恃其众，寻复整兵径向京师。后将军元显帅兵拒战，频不利。会稽王道子无他谋略，惟日祷蒋侯庙。恩来渐近，百姓恂惧。谯王尚之帅精锐驰至，径屯积弩堂。恩楼船高大，溯风不得疾行，数日乃至白石。恩本以诸军分散，欲掩不备，既而知尚之在建康，复闻牢之已还，至新洲，不敢进而去，浮海北走郁州。恩别将攻陷广陵，杀三千人。宁朔将军高雅之击恩于郁州，为所执。桓玄厉兵训卒，常伺朝廷之隙，闻孙恩逼京师，建牙聚众，上疏请讨之。元显大惧。会恩退，元显以诏书止之，玄乃解严。
七月，诏以刘裕为下邳太守，讨孙恩于郁州，累战，大破之。恩由是衰弱，复缘海南走，裕复随而邀击之。
十一月，刘裕追孙恩至沪渎、海盐，又破之，恩遂自浃口远窜入海。
十二月，桓玄致笺于会稽王道子曰：“贼造近郊，以风不得进，以雨不致火，食尽故去，非力屈也。昔国宝死后，王恭不乘此威入统朝政，足见其心非侮于明公也，而谓之不忠。今之贵要腹心，有清流时望者谁乎？岂可云无佳胜？直不能信之。迩来一朝一夕，遂成今日之患。在朝君子皆畏祸不言，玄忝任在迩，是以披写事实。”元显见之，大惧。
张法顺说元显讨桓玄，以刘牢之为前锋。武昌太守庾楷密使人自结于元显，云：“玄大失人情，众不为用，若朝廷遣军，己当为内应。”元显大喜，遣张法顺至京，谋于刘牢之，牢之以为难。法顺还谓元显曰：“观牢之言色，必贰于我，不如召入杀之，不尔败人大事。”元显不从。于是大治水军，征兵装舰，以谋讨玄。
元兴元年正月庚午，下诏罪状桓玄，以尚书令元显为骠骑大将军、征讨大都督、督十八州诸军事、假黄钺，又以镇北将军刘牢之为前锋都督，前将军谯王尚之为后部，因大赦，改元，内外戒严，加会稽王道子太傅。除桓谦荆州刺史。东土遭孙恩之乱，因以饥馑，桓玄禁断江路，公私匮乏，以桴、橡给士卒。玄谓朝廷方多忧虑，或未必讨己，可以蓄力观衅。及大军将发，从兄太傅长史石生密以书报之。玄大惊，欲完聚保江陵。长史卞范之曰：“明公英威振干远近，元显口尚乳臭，刘牢之大失物情，若临近畿，示以祸福，土崩之势，可翘足而待，何有延敌入境，自取穷蹙。”玄从之，留桓伟守江陵，抗表传檄，罪状元显，举兵东下。檄至，元显大惧。
二月丙午，帝饯元显于西池，元显下船不发。
桓玄发江陵，至寻阳，不见官军，甚喜。庾楷谋泄，玄囚之。丁巳，诏遣齐王柔之宣告荆、江二州，使罢兵，玄前锋杀之。丁卯，玄至姑孰，使其将冯该等攻历阳，襄城太守司马休之婴城固守。玄军断洞浦，焚豫州舟舰。豫州刺吏谯王尚之帅部卒九千阵于浦上，遣武都太守杨秋屯横江，秋降玄军。尚之众溃，逃于涂中，玄捕获之。司马休之出战而败，弃城走。刘牢之军溧州，参军刘裕请击玄，不许。玄使牢之族舅何穆说牢之改图，时谯王尚之已败，人情愈恐，牢之颇纳穆言。牢之之甥东海中尉何无忌、子骠骑从事中郎敬宣均谏，不听。
三月乙巳，牢之遣敬宣诣玄请降。元显将发，闻玄已至新亭，弃船，退屯国子学。辛未，阵于宣阳门外。军中相警，言玄已至南桁，元显引兵欲还宫。玄遣人随后大呼曰：“放仗！”军人皆奔溃，元显乘马走入东府，惟法顺一骑随之。元显问计于道子，道子但对之涕泣。玄遣太傅长史毛泰收元显送新亭，缚于舫前而数之，元显曰：“为王诞，张法顺所误。”壬申，复隆安年号。帝遣侍中劳玄于安乐渚。玄入京师，称诏解严，以玄总百揆，都督中外诸军事，丞相、录尚书事、扬州牧、领徐州刺史，（荆、江二州非苏境不录。）假黄钺。玄以桓谦为尚书左仆射，桓惰为徐、兖二州刺史，卞范之为丹阳尹。初，玄之举兵，侍中王谧奉诏诣玄，玄亲礼之。及玄辅政，以谧为中书令。新安太守殷仲文闻玄克京师，弃郡投玄，玄以为咨议参军。刘迈往见玄，玄以为参军。癸酉，有司奏会稽王道子酣纵不孝，当弃市，诏徙安成郡，斩元显及东海王彦璋、谯王尚之，庾楷、张法顺，毛泰等于建康市。王诞流岭南。玄以刘牢之为会稽内史，牢之曰：“始尔，便夺我兵，祸其至矣。”刘敬宣请归谕刘牢之使受命，玄遣之。牢之怏怏不平，欲自班渎走据江北拒玄。使敬宣之京口迎家，失期不至。牢之以为事已遣，为玄所杀，乃率所部北走至新洲，缢而死。敬宣至，不暇哭，即渡江奔广陵。
四月，桓玄矫诏改元大亨，大赦。让丞相，改授太尉、都督中外诸军事，扬州牧、总百揆，以琅邪王德文为太宰。
司马休之、刘敬宣、高雅之俱奔洛阳，各以子弟为质于秦以求救。秦主兴与之符信，使于关中募兵，得数千人，复还屯彭城。孙恩为临海太守辛景所破，赴海死，其党复推卢循为主。
太尉玄出屯姑孰，辞录尚书事，而大政皆就咨焉，小事则决于桓谦及卞范之。自隆安以来，中外之人厌于祸乱。及玄初至，黜奸佞，拔俊贤，京师欣然，冀得少安。既而玄奢豪纵逸，政令无常，朋党互起，陵侮朝廷，裁损乘舆供奉之具，帝几不免饥寒，由是众心失望。三吴大饥，户口减半。
八月，太尉讽朝廷以玄平元显功封豫章公，平殷、杨功封桂阳公，并本封南郡如故。玄以豫章封其子异，桂阳封其兄子俊。
太尉玄杀吴兴太守高素、将军竺谦之及谦之从兄朗之、刘袭、袭弟季武，皆刘牢之北府旧将。袭兄冀州刺史轨邀司马休之，刘敬宣、高雅之等共据山阳，欲起兵攻玄，不克而走。将军袁虔之、刘寿、高长庆等皆往从之，将奔魏，至陈留南，分为二派：轨、休之、敬宣奔南燕，虔之、寿、长庆等奔秦。
十二月，太尉玄使御史杜林防卫会稽王道子至安成，林承玄旨，鸩道子，杀之。
是月，曲赦广陵、彭城大逆已下。无麦禾，大饥。
二年正月乙卯，太尉玄自称大将军。丁巳，玄杀冀州刺史孙无终。
六月，加建威将军刘裕彭城内史。
八月，玄自号相国，加九锡，备典物，讽帝御前殿授之。殷仲文、卞范之劝大将军玄早受禅，以桓谦为侍中、开府、录尚书事，王谧为中书监、领司徒。
九月丙子，册玄为相国，总百揆，封宜都、南平等十郡为楚王，加九锡，楚国置丞相以下官。桓谦私问彭城内史刘裕曰：“楚王勋德隆重，朝廷之情，咸谓宜有禅让，卿以为何如？”裕曰：“楚王，宣武之子，晋室微弱，民望久移，乘运禅代，有何不可？”谦喜曰：“卿谓之可，即可耳。”（按：此刘裕以欺媚桓谦，然亦见裕久蓄篡晋之志。）十一月，诏楚王玄行天子礼乐，妃为王后，世子为太子。丁丑，卞范之为禅诏，使临川王宝逼帝书之。庚辰，帝临轩，遣兼太保、领司徒王谧奉玺绶，禅位于楚。壬午，帝出居永安宫。癸未，迁太庙神主于琅邪国，穆章何皇后，琅邪王皆徙居司徒府。百官诣姑孰劝进。
十二月庚寅，玄筑坛于九井山北。壬辰，桓玄即皇帝位，大赦，改元永始；以南康之平固县封帝为平固王，降何后为零陵县君，琅邪王德文为石阳县公，武陵王遵为彭泽县侯，追尊父温为宣武皇帝。