大亨元年（403年），
桓玄迁大将军，又
上请率军北伐
后秦，但随后就暗示朝廷下诏不准。桓玄本身就无意北伐，就装作出尊重诏命的姿态停止。同年，
桓伟去世，桓玄因公简约礼仪，脱下丧服后又作乐。而桓伟一直是桓玄亲仗的人。桓伟死后，桓玄孤危，不臣之心已露，同时全国对其有怨气，于是打算加快篡位工作。而桓玄亲信
殷仲文及
卞范之当时亦劝桓玄早日篡位，连朝廷加授桓玄
九锡的诏命和册命都暗中写好。桓玄于是进升桓谦、
王谧和
桓修等人，让朝廷命自已为相国，更划
南郡、南平郡、天门郡、
零陵郡、
营阳郡、
桂阳郡、
衡阳郡、
义阳郡和建平郡共十郡封自己为
楚王，
加九锡，并能置楚国国内官属。及后桓玄自解
平西将军和
豫州刺史，将官属并入相国府。
大亨元年（403年）十一月，桓玄加自己的冠冕至皇帝规格的十二旒，又加车马仪仗及乐器，以楚王妃为王后，楚国世子为太子。十一月十八日，由卞范之写好禅让诏书并命
临川王司马宝逼
晋安帝抄写。二十一日，由兼太保、司徒
王谧奉玺绶，将
晋安帝的帝位禅让给桓玄，随后迁晋安帝至永安宫，又迁太庙的
晋朝诸帝
神主至
琅邪国。及后百官到
姑孰劝进，桓玄又假意辞让，官员又坚持
劝请，桓玄于是筑坛告天，于十二月三日正式登位为帝，并改元“永始”，改封晋安帝为平固王，不久迁于寻阳。
桓玄篡位以后，骄奢荒侈，游猎无道，通宵玩乐。即使是
桓伟下葬的日子，桓玄在日间哭丧但夜晚就已去游玩了，有时甚至一日之间多次出游。又因桓玄性格急躁，呼召时都要快速，当值官员都在省前系马备用，令宫禁内烦杂，已经不像朝廷了；另桓玄又兴修宫殿、建造可容纳三十人的大乘舆。百姓更因而疲惫困苦，民心思变。北府旧将
刘裕、
何无忌与
刘毅等人于是乘时举义兵讨伐桓玄。
次年二月，
刘裕经过周密部署后，联络
北府兵将领刘毅、
何无忌、
刘昶、
刘道规、
诸葛长民等人正式起兵。首先占领京口，斩
徐州刺史
桓修；进攻广陵，杀青州刺史桓弘，随后率兵直扑
建康，沿途又杀死前来抵抗的著名猛将吴甫之、皇甫敷。桓玄得知二将被杀，吓得魂不附体，急忙召来一些
方士对
刘裕等人施行巫术。并问众臣僚：“朕会失败吗?”曹靖之回答说：“神怒人怨，臣实在害怕。”桓玄又急又气，命
桓谦、
卞范之率兵二万出城御敌。
刘裕率众奋击，
桓谦诸军顷刻溃散。桓玄闻报，匆匆携带儿子桓升、侄子桓浚，在几千亲信的护卫下，从南掖门仓惶出逃。路遇参军
胡藩，胡藩劝他组织抵抗，桓玄一言不发，只顾用
马鞭指天，意思是说“天亡我也!”然后策马疾驰，直奔
石头城，乘船浮江西去。沿途忍饥挨饿，有时整天吃不上一顿饭，左右
弄来一些
粗粮，咽不下去，几岁的小儿子桓升在他胸前背后使劲按摩，桓玄悲不自胜。
桓玄一行逃到寻阳，江州刺史郭昶之提供器用、兵马，这才松了一口气。于是挟安帝继续西逃，途中自己作
起居注，叙述如何抵御
刘裕事，自吹算无遗策，只因诸将违背节度，以致造成败局，并非用兵的过错云云。桓玄只顾覃思著述，却把御敌大事抛到了九霄之外。
起居注写成后，派人宣示远近。
四月，桓玄一行逃到江陵，
荆州刺史桓石康迎入帐内。喘息未定，即忙着派人在城南搭造帐篷作为临时宫室，重新署置百官，以
卞范之为
尚书仆射。又大兴刑罚，借以在大败之余重树个人威权，震慑百官将士。大臣
殷仲文力谏，桓玄怒气冲冲地说：“
汉高祖、
魏武帝用兵多次战败，那只是诸将的过失。天文对我不利，所以把都城迁回荆楚。而小人愚昧，妄生是非，乱发议论，正应该凶猛一点，哪能施行宽政?”
荆州各郡的郡太守们得知桓玄流亡，有人赶紧献媚取宠，派人上表敬问起居，桓玄一概不接受，命令重新上表，庆贺迁徙新都。荆楚毕竟是桓玄的老巢，不出一月，桓玄收集兵众二万和大批的楼船、器械，又开始得意起来，自负地对左右说：“你们都是从清显的仕途上跟随我的，京都那帮窃权盗位的人将要谢罪军门，到时看着你们凯旋进入
石头城，这与神仙相比，又有什么不同!”就在桓玄得意时，
刘裕派遣刘毅、
何无忌、
刘道规率兵追至湓口，
桑落洲一战，大败江州刺史郭昶之、
游击将军何澹之、江夏太守桓道恭等人，进军寻阳。寻阳上控
荆楚，下制
建康，是
长江中游的
战略要地，势在必争。五月，桓玄自江陵急率舟师东下，双方大战于武昌附近的峥嵘州。桓玄所率将士数万，对方不满万人，但却担心吃败仗，常常在座舰旁边停着几艘快船，以备败走，全军毫无斗志。
刘毅紧紧抓住战机，乘风纵火，率军奋勇出击，大获全胜。桓玄命人烧毁
辎重，连夜狼狈逃去。
桓玄再次逃回江陵城，众人见大势已去，人心惶惶，虽令不行，城内一片混乱。桓玄走投无路，打算逃往
汉中投奔梁州刺史桓希。一天深夜，收拾停当，遂率亲近心腹数百人骑马出城西走，刚刚到达城门，左右于黑暗中挥刀向桓玄砍去，没有砍中，秩序顿时大乱，左右心腹互相砍杀，死尸交横于路。桓玄心惊胆颤，勉强逃到船上。恰在这时，
益州刺史
毛璩派从孙毛佑之，参军费恬率领二百人护送弟弟毛璠的灵柩来江陵安葬，
毛璩之侄
毛修之时为桓玄
屯骑校尉，趁机骗诱桓玄入蜀，桓玄无计可施，只好同意。船行至江陵城西的枚回洲，毛佑之、费恬突然向桓玄开弓放箭，矢如雨下，幸臣丁仙期、万盖等人急忙用身子挡住，都被射死，桓玄受了
轻伤。益州
都护冯迁随着
抽刀砍来，桓玄从头上拔下一枚玉导送给他，心惊肉跳地质问：“你是什么人?敢杀天子!”冯迁回答说：“我杀天子的贼罢了!”说完，手起刀落，人头坠地。同时被杀的还有
桓石康、
桓修等人，桓升被执，斩于江陵城。
桓玄篡晋，是
东晋门阀政治的尾声。这个政权终于被
刘裕推翻。桓玄从称帝到兵败出逃，共经八十天；从称帝到被杀，前后不到半年，死时年三十六。桓玄死后，堂兄桓谦、
桓石绥等人仍坚持抗争达五、六年之久，直至晋安帝
义熙六年（410）才宣告全部失败，桓氏家族彻底覆灭。