桓温北伐，是东晋将领桓温分别于永和十年（354年）、永和十二年（356年）及太和四年（369年）对北方十六国发动的北伐战役。

陶侃平定了苏峻的叛乱以后，东晋王朝暂时获得了安定的局面。这时候，北边却乱了起来。

后赵国主石虎（石勒侄子）去世后，内部发生大乱。公元351年，氐族贵族苻健也乘机占领了关中，建立了前秦。

永和五年（349年），后赵皇帝石虎去世，其后诸子争位，后赵国内混乱。其时东晋朝中就已经准备北伐，并由征北大将军褚裒主持北伐，但以失败告终。后赵大将冉闵称帝，建立了魏国，史称冉魏；前燕慕容皝又灭了冉魏。而桓温在当时亦随即移屯安陆，屡次上表请求北伐，但因其平灭成汉后威望太高，朝廷不愿桓温北伐成功而令威名更盛，于是在褚裒北伐以后提拔殷浩继续准备北伐，对桓温的上请不作回应。

同时，北方氐人苻健于永和六年（350年）入关，并于次年建立前秦，至永和八年（352年）称帝。前秦建国后多次与东晋作战。及至永和九年（353年）殷浩发动北伐，目标是前秦控制的洛阳，正是试图利诱前秦将领梁安及雷弱儿叛秦，乘关中混乱，前秦驻洛阳的军力入援之机进取洛阳。

然而，殷浩是个只有虚名、没有军事才能的文人。他出兵到洛阳，被羌人打得大败，死伤了一万多人马，连粮草武器也丢光了。桓温又上了道奏章，要求朝廷把殷浩撤职办罪。晋穆帝没办法，只好把殷浩撤了职，同意桓温带兵北伐。

永和十年（354年）二月己丑日，桓温自江陵率四万步骑北伐，取道武关入关，又命水军自襄阳进至南乡郡；同时梁州刺史司马勋亦经子午道北伐前秦。桓温先派别军进攻上洛，俘获前秦荆州刺史郭敬，于是进击青泥城。前凉秦州刺史王擢见司马勋攻略前秦西部，于是进攻陈仓以作响应。

前秦皇帝苻健面对桓温大军北伐，派遣太子苻苌、丞相苻雄等人率兵五万驻屯峣柳以作抵抗。四月己亥日，桓温在蓝田县与苻苌等军大战，虽然苻生单骑突陈杀伤不少晋兵，但晋兵在桓温的统率下仍大败秦兵；同时桓冲又在白鹿原击败苻雄军。桓温在大败前秦军队后就继续向长安进发，进据灞上。当时苻苌等军退屯城南，苻健于是尽发精兵三万人，在大司马雷弱儿等人率领下与苻苌会合，只留六千老弱士兵留守长安小城。

当时前秦首都长安危急，三辅各郡县都来向桓温归降，桓温安抚并让居民恢复原来生活。当时居民又争相以牛酒劳军，又夹道观看前来的军队，老人更流着泪说：“不图今朝复睹官军。”面对这个形势，顺阳太守薛珍劝桓温直逼长安，但桓温不听从，驻屯灞上后就没有进渡灞水，一直与前秦军相持，并打算收割当地的麦子作军粮以继续对峙。

但苻雄先率七千骑进袭司马勋，并在子午谷击败他。后又与诸军在白鹿原与桓冲大战，杀晋兵万余人。而当时前秦更抢先一步收割麦子，而且坚壁清野，令桓温陷入缺粮困境。在战事不利和缺粮之下，桓温唯有在六月丁丑日迁关中三千多户人南归。苻苌见桓温退兵，更领兵追击，至潼关时已屡败晋军，伤亡数以万计。冠军将军邓遐一人殿后射伤苻苌，前秦军大惧，不敢再追，晋军才得以安然返回荆州。当时薛珍以桓温被逼退兵，当众称许自己之勇而指责桓温太慎重，于是被桓温指使邓遐所杀。

另一方面，进攻陈仓的司马勋和王擢虽攻破陈仓，但亦被苻雄、苻法、苻坚父子三人所败，司马勋退回汉中而王擢回略阳。北伐至此结束。

永和七年（351年），后赵灭亡，后赵将领姚弋仲降晋，其子姚襄亦随父归降，皆获东晋遥封官职及爵位。次年姚弋仲死，姚襄依从父亲遗命南奔东晋，驻屯谯城（今河南省商丘市夏邑县骆集乡）。永和八年（352年），姚襄在谢尚兵败后退屯历阳（今安徽和县历阳镇），并大行屯田及训练将士。然而因为殷浩忌惮姚襄，竟多次派刺客刺杀他，又派魏憬意图偷袭他，最终令姚襄决心叛晋。

永和九年（353年），姚襄就于殷浩北伐期间临阵叛晋，倒伐攻击殷浩，不但令殷浩北伐失败，更盘据淮河一带，在盱眙建立根据地。

永和十年（354年），江西流民郭敞等人在东晋侨置陈留郡的堂邑叛乱，捕掳陈留太守刘仕向姚襄归降。因临近东晋赖以自守的长江天险，令东晋朝廷十分震惊，立刻加强对京师建康的防守。然而，姚襄没有南进，反倒北归，趁东晋调兵防守建康，于是轻松攻下许昌。

原本降晋的周成又于永和十年叛晋，进据洛阳。姚襄据许昌后就于永和十二年（356年）起兵进攻洛阳。

另一方面，完成第一次北伐而回荆州的桓温多次上表请求迁都洛阳，修复在洛阳的皇家园陵，当时朝廷畏惧桓温权势无人敢阻拦，唯有孙绰上书终于拦下此事。随后又升桓温为征讨大都督，督司、冀二州诸军事，专委讨伐姚襄之任。而因此就促成桓温发动第二次北伐。

桓温于永和十二年（356年）在江陵起兵，先遣督护高武据鲁阳，辅国将军戴施驻屯黄河上，以水军进逼许昌和洛阳，更请徐、豫二州派兵经淮泗入黄河协助北伐。桓温自己则从后领兵作众人继援。

八月己亥日，桓温到达洛阳城南的伊水，久围洛阳不破的姚襄于是撤去围城军，转而抵抗桓温，并在伊水北岸的树林中埋伏精兵，试图诱使桓温率兵后退，在其后退时派伏兵突击。然而桓温拒绝姚襄后退的请求，姚襄意图依伊水而战，而桓温则结阵向前进攻，更亲身披甲督战，于是大败姚襄，姚襄逃到洛阳北山，及后更与余众西奔并州，桓温未能追及。

随后，周成以洛阳向桓温投降。桓温及后留兵戍守洛阳，并且置陵令，修复各个皇陵后就押著周成及带着三千多家归降的平民南归。第二次北伐至此结束。

桓温在第二次北伐成功收复洛阳后声望提高，先于升平四年（360年）进爵南郡公，后更在兴宁元年（363年）进大司马、都督中外诸军事、录尚书事，正式掌握朝政。次年更授桓温扬州刺史，令桓温掌握京畿地区军事。桓温虽然内镇扬州，然而原本所都督的荆、江二州亦交由其两个弟弟桓豁及桓冲掌握，由此桓温基本上集东晋全国军政大权于一身，仅未能掌握徐、兖二州所在的京口及豫州等兵力。

另一方面，原本名义上臣服于东晋的前燕在其君主慕容儁在永和八年（352年）称帝自立后，就多次与东晋发生战事。前燕更多次派兵进攻洛阳，虽勉强能守着洛阳，但河南诸郡除洛阳外其实都被前燕所夺。东晋终在兴宁三年（365年）失去洛阳。司冀等地皆失于前燕后，前燕又进攻兖州等地，于太和元年（366年）又夺取鲁郡和高平郡，甚至曾南侵至竟陵郡。虽然被竟陵太守邓遐打退，但实力膨胀可见一斑。

面对前燕不断的军事行动，桓温亦希望以北伐提高自己声望，以图实现自己野心，登上帝位；又因前燕慕容恪于太和二年去世，桓温于是决意进行北伐，打算打败前燕后回朝受取九锡，终篡夺东晋政权。

太和四年（369年），桓温上请北伐，并请与徐、兖二州刺史郗愔、豫州刺史袁真及江州刺史桓冲一同出兵。郗愔是在庾希因救援高平及鲁郡不力而被弹劾免职后受桓温所推，然而其实桓温一直觊觎郗愔部下驻京口的军队，心中很不愿由郗愔统率这些部众。当时郗愔之子郗超是桓温心腹，明白桓温心思后就假作父亲书信，将父亲的徐兖二州刺史的职位让给了桓温，令桓温十分高兴。至四月庚戌日，桓温终自所镇的姑孰领五万人出兵前燕。

桓温北伐至兖州，当时郗超顾虑汴水因战乱久未浚治，认为会影响漕运，但桓温不听。直至行军至金乡时就因天旱而令水军不能继续前进。桓温当时就命毛穆之开凿河道，引水令桓温水军得以继续前进，终成功进入黄河。

然而，郗超又进言，认为桓温入黄河之法是逆着水流而进，与东晋基地距离又远，难通漕运，担心前燕会拒守不战，令晋军陷入粮道断绝，无军粮继续北伐的困境。郗超于是建议桓温尽率全军直击前燕国都邺城，不论前燕逃回辽东后方、拒守邺城或出战与东晋决一胜负皆有利于北伐进展；另郗超又提议一个较稳健的策略，建议桓温守着河道，控制漕运，一直储蓄粮食，直至370年夏天方才继续进攻。郗超又认为若果不速战速决，当战事拖延至秋冬后，水量减少而北方早降温的客观条件之下，会令到晋军更难维持。但桓温都不听从。

桓温随后派桓玄攻取湖陆，更俘获慕容忠。前燕所派慕容厉率步骑二万进攻，邓遐于黄墟大败敌军。之后邓遐、朱序又在林渚击败燕将傅颜，前燕高平太守徐翻更投降东晋。前燕于是再派慕容臧率诸军抵抗桓温，但都失败。至此前燕黄河以南，虎牢关以东领土全部为东晋所有。前燕见此，唯有派人向前秦求救。

七月，前燕汉人孙元率宗族党众起兵响应桓温，桓温于是移屯枋头。当时前燕皇帝慕容暐和太傅慕容评对战事发展都十分恐惧，打算北逃回辽东。但当时慕容垂自己请求进击桓温，慕容暐于是让慕容垂代替慕容臧率众抵抗桓温。同时，慕容暐又以虎牢以西的土地赂诱前秦派兵救援前燕，在王猛的支持下，苻坚于是在八月派苟池及邓羌率步骑二万救援前燕。

当时前燕司徒长史申胤就认为桓温“骄而恃众，怯于应变。大众深入，值可乘之会，反更逍遥中流，不出赴利，欲望持久，坐取全胜。”预料当晋军粮运出现问题时就会不战自败。当时，桓温以昔日归降东晋的段思为向导，前燕尚书郎悉罗腾却击败桓温军，生擒段思。另桓温所派的李述亦被悉罗胜和染干津所杀，令晋军士气下降。同时，桓温早前命袁真攻打谯国和梁国，意图开石门水道以通漕运，但袁真攻取二郡后慕容垂令慕容德率所有骑兵围攻袁真，使其不能开通水道，自己在枋头与桓温对峙，使其不能救援。

九月，前燕开始反击，慕容德率一万兵与刘当驻屯石门，李邽以五千豫州兵断绝桓温粮道。慕容宙则以一千兵设计击败晋军，杀伤大量晋兵。桓温见战事不利，又因粮食将竭，更听闻前秦援兵将至，于是在九月丙申日焚毁船只，抛弃辎重，循陆路退军。只留毛穆之为东燕太守。桓温经仓垣南归，途中凿井取水饮用。当时前燕诸军亦有追晋军，但慕容垂认为桓温新退必然提高警觉，并以猛将邓遐率精锐殿后，不如待晋军见燕军未至，专心从速南退时才大举追击，于是只领八千骑兵从后缓缓跟随。数日后，慕容垂见晋军加快速度，于是加速追击，并在襄邑追及桓温。另一向面，慕容德已经领四千骑兵率先在襄邑设伏，于是桓温在襄邑受两军夹击，晋军大败，死了三万兵。苟池所率的前秦兵亦在谯国邀击桓温，杀伤又以万计。十月己巳日，桓温收拾散卒，驻屯山阳。叛归东晋的孙元在武阳据守，但都被前燕所擒。第三次北伐至此结束。

桓温北伐，为其带来极大声望，尤其第二次北伐收复洛阳后，桓温曾在隆和元年（362年）请迁都洛阳，并让昔日南渡江左的士庶一律北徙。虽然当时洛阳正受前燕所攻，侨姓士族更加是不愿放弃南方北归，但因朝廷畏惧桓温，竟然没有人敢首先出言谏止，而只有孙绰敢上疏反对。当时朝廷更打算派侍中劝止桓温，可见桓温在当时的威望极高，足以动摇朝廷。然而，桓温北伐其实得不到举国同心支持，故申胤才有言：“晋室衰弱，温专制其国，晋之朝臣未必皆与之同心。故温之得志，众所不愿也，必将乘阻以败其事。”第三次北伐大败而回，就已令桓的威望大降，只仍因其权倾朝野，故此促使他放弃外讨增加名望，转而对内行废立，于是桓温在太和六年（371年）废黜晋废帝，并且诬陷武陵王司马晞等人，遂更令其威势比皇室更盛。然而，始终因为此败，桓温无法达成其篡位计划，始终受制于王坦之和谢安等士族人士。桓温大败后，北伐之事亦再没进行。

桓温虽在第二次北伐夺回洛阳，但进兵时占据的司、兖、青、豫地区其实在桓温班师后就被前燕所陷，数年后洛阳亦得而复失，可见战果其实不甚持久。

桓温在第三次北伐后耻于大败，将罪责归于未能开通石门水道的袁真。袁真不甘心被诬，于是向朝廷申诉，然而朝廷怯于桓温而不敢处理，袁真于是以寿春降燕。桓温直至太和六年才平定。

桓温北伐过后，东晋的北伐行动亦暂告一段落，而前燕与前秦亦因第三次北伐合作而派使者互相往来。然而，前燕使者郝晷见燕政不修而前秦大治，竟向王猛透露前燕虚实。另外，慕容暐后悔当日割虎牢以西土地的承诺，竟然反悔不给，于是触怒前秦天王苻坚，开始进攻前燕。前燕终在前秦的军事行动下亡于前秦。前秦渐渐崛起。