慕容垂为求速破晋军，一到前线，即升帐众将，商议战策。部将申胤道：“桓温权倾晋国，兵强马壮，看似可有所作为；然而在末将看来，桓温此来又将徒劳无功。为何？只因晋国王室衰微，而桓温功高震主，若他成功，则晋国又多了一位曹操、司马懿，这是晋国君臣都不愿看到的，因此他们必定会从中阻挠以打断桓温北伐的事业。再者，桓温虽有用兵之能，但他行事过于求稳，不善于机变，比如说他初到河北时，大将军您受到排斥，不被启用，那时便是他作战的最佳时机，而他却在此期间中途徘徊，不敢全面出击，指望相持下去，会坐而全胜。一旦其粮道被断，军士陷入缺粮困境，晋军的形势便会急转直下。”
慕容垂听后，抚须大笑：“我敢在陛下面前夸口，称三月之内可全胜晋军，也是出于这般考虑啊。”话说完，慕容垂下令：派出数队骑哨，在豫州、兖州各地大肆侦查，一旦发现能够向桓温军中输送粮草的通道，必须全部截断！
几日侦查下来，哨兵回报慕容垂道：“桓温先前出兵时，曾下令在黄河与汴水之间开凿河道，以供船只南北往来，运输粮草之用。如今随着秋季来临，降雨锐减，该河道已接近干涸，无法供船只通畅行驶。”慕容垂听后，先是大喜，尔后他冷静下来，又对哨兵们道：“以桓温的智慧，对此局面应当早有准备。本将深信，除了该河道以外，晋军必定还有其他途径，能够从南方运粮北上—你等再去仔细侦查，休得漏过一处。”
哨兵们去后，再过十数日，又回来禀告慕容垂道：“果然不出将军所料，在荥阳附近，有一地，名叫石门（在今河南荥阳县）。从石门往东南去，不远处即是睢水源头，从石门北上，距离黄河也只有十数里。现今桓温已派出部下袁真，在石门一带另行开凿河道，以连通黄河、睢水。若此计成功了，则晋军粮道又将畅通无阻。”
原来，桓温之所以屡次弃郗超的计策不用，并不是他不知道先前开凿的那条三百里小河既窄又浅，难堪大用。事实上，他早已另外发现了一条绝佳的运粮线路，即让运粮船队途径淮水—睢水—石门—黄河，这样也能轻易将粮草运至枋头。换句话说，晋军有两条“运粮生命线”，一条是明的，即已经干涸的那条；另一条是暗的，即途径石门的这一条，只要两条“运粮生命线”中有一路畅通，晋军便无须为粮草之事担忧。
如果燕军是用别人为主将，这条暗的粮道估计也就被忽略了—因为石门本不连通黄河与睢水（只有等袁真凿通了石门，黄河、睢水才能连为一体）。可要命的是，桓温偏偏遇上了慕容垂，这也是位算无遗策的主，于是还没等到石门水路被开凿完毕，便在燕军哨兵的仔细侦查下被暴露了出来。至此，慕容垂已明确掌握了晋军的命脉，他一声令下：拨出燕军之中几乎全部的骑兵，授予其弟慕容德，让他率军绕过桓温阵地，奇袭石门，无论如何，一定要把晋军重新凿通水路的计划扼杀在摇篮之中！
慕容德不负其兄重托，率军来到石门后，他与袁真的主力遭遇。慕容德命令先锋慕容宙，率骑兵一千前往挑战袁真。慕容宙不解，问慕容德：“袁真兵力有万余之多，将军仅授我一千骑兵，如何取胜？”慕容德道：“袁真的目标只是开通水路，维护粮道，若见我军全力出击，定会避而不战。我授你一千人，只是充作诱饵，诱他前来交战。”慕容宙听后，奋然道：“若是如此，将军授我二百人足矣，其他军士，将军可留下作设伏之用。”说完，慕容宙即带着二百人前往攻击袁真，袁真不知是计，果然弃了石门重地，率军猛追燕军。等及其追至燕军设伏之地，只听号角声大振，燕军从四面杀出，晋军大败，战死者极多。石门之战结束后，晋军在石门开凿水路的计划完全被打断，袁真收拢残兵败将，退至石门以外驻扎。
时值九月，天气渐渐转寒，晋军因袁真战败，船队运送粮草、秋衣受阻，上下饥寒交迫，士气由盛转衰。事情到了这个地步，桓温却因行事慎重，仍无勇气与慕容垂一战决胜负，只是不断派出小规模部队在赵、魏故地搜寻粮草、衣物，想稍解饥寒之苦。慕容垂闻知此事，也分兵外出，四处围追堵截晋军外出筹粮的官兵，因而桓温派出的军士纷纷逃回，一无所获。而可怕的消息往往总在最后—前秦的援军，这时也已将要抵达战场。
眼看一场必胜的战役又将无果而终，桓温悔得恨不能跳入黄河。郗超所献的两策，他若能听取其一，形势将大为改观。事到如今，后悔无济于事，九月下旬，桓温分析过战场形势，明白他的第三次北伐已无丝毫取胜的可能，本着不打无把握之仗的基本准则，他下令晋军放弃枋头营地，向南撤退。
只是可惜了停泊在黄河岸边的那些战船，因晋军可走的两条水路一条已经干涸，另一条又被慕容德用计斩断，桓温撤退时无法将这些战船带走，又不甘心白白送给燕军，只得令人就地焚毁。一时间，黄河北岸烟火冒突，数十里内都依稀可见。
燕军见了火光，知晋军要逃，纷纷劝说主将慕容垂，请他下令全军追击。慕容垂道：“不可。”将领们不解，忙问何故。慕容垂道：“桓温久经沙场，极有韬略。今日虽然因缺粮而撤退，但其撤退之时，必用精兵殿后，我若草率下令追之，只怕非但无法阻止晋军归国，我军反有战败之险。”
众将闻言，无不沮丧，又问慕容垂：“依照大都督的意思，那我等就这么纵虎归山，不再前往追击了？”
慕容垂摇了摇头，手按剑柄，沉声道：“即便孙吴在世，胆敢犯我燕国国境者，必教其有来无回—何况一区区桓温。本都督之所以不下令追击，非是畏敌怯战，只因即便战胜晋军，若不能尽数摧毁其精锐于一役，桓温数年之后又将举兵前来复仇。从明日起，我军可顺着晋军撤退轨迹，也缓缓南下，但切记不可让桓温察觉我军行踪。”
燕军众将领会其意图，再无一人不满，齐声回慕容垂道：“谨遵大都督号令。”