369年九月，由于水路不通，桓温命令烧掉所有船只，放弃全部辎重，从陆路撤军。沿途为防止燕军投毒，一路凿井而饮，行七百余里而追兵不至，晋军于是放松警惕，开始大踏步后撤。
其实，前燕的追兵一直就在北伐军的身后，慕容垂亲自率领八千骑兵尾随追踪，并不是不愿出击，而是在等待一击而胜的时机。
当晋军认为燕军并没有派出追兵时，当晋军放松警惕防备松散时，当晋军思乡心切战意渐消时，当晋军日夜兼程疲惫不堪时，那就是燕军进攻的时机。
很荣幸，慕容垂等到了这样的机会；很不幸，晋军正如慕容垂所料。
桓温见追兵未至，于是大胆撤军，命令晋军兼程而进。紧随北伐军身后的慕容垂随即下令急速追赶，并使慕容德率精骑四千于襄邑（今河南睢县西）设伏。
九月，慕容垂在襄邑追及晋军，慕容德伏兵尽出，前后夹击，大败桓温，杀伤晋军达三万人。前秦援军也应邀而至，前秦将领苟池在谯国再次击败桓温，晋军伤亡以万计。
369年十月，桓温收拢散兵，屯驻山阳（今江苏淮安），第三次北伐以惨败告终。
这是桓温最后一次北伐，此败之后，再不北伐。
值得一提的是，劝说前秦苻坚出兵救援前燕的人，就是那个在桓温军帐中扪虱论天下的王猛。一别经年，各为其主。
总体而言，桓温三次北伐并无建树，最后一次更是损失惨重，在此对于北伐失败的原因总结如下：
首先，借用史书话语，桓温北伐动机不够纯粹。“挟震主之威，蓄无君之志，企景文而慨息，想处仲而思齐，睥睨汉廷，窥觎周鼎。”北伐成了桓温立威东晋，名震江东的工具，收复失地还我山河反倒成了次要愿望了。也正因为此，桓温害怕失败，进军务求持重，大好形势下常观望不前，贻误战机。
其次，在将领的个人谋略上，正如前燕申胤所评，桓温“骄而恃众，怯于应变”。固然有其务求持重的原因，但也反映桓温不善于捕捉战机，指挥作战缺乏灵活性。尤其在第三次北伐撤军途中，其个人谋略明显比慕容垂很是逊一筹。
最后，东晋君臣偏安东南一隅，志在割江自保，无意恢复失地。反倒是对桓温权势日盛而深怀戒心，不愿看到桓温北伐成功。因此，桓温的北伐并不能得到东晋朝廷的全力支持。正如前燕申胤所评：“以温今日声势，似能有为，然在吾观之，必无成功。何则？晋室衰微，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，必将乖阻以败其事。”
桓温的北伐是孤独的，前有强敌，后有掣肘。一段伟大的事业，本该上下同心、全力以赴的征程，在上位者各自利益的驱动下，成了桓温一个人的旅程。
桓温所进行的北伐，虽然损失惨重，建树无多，但却为北方人民反抗剥削与压迫的斗争提供了支援，沉重打击了少数民族的残暴统治，这是符合当时北方人民愿望的。桓温的北伐，犹如一盏明灯，在黑夜中带给了北方人民战胜异族奴役的信心和希望。
战后，慕容垂功高遭嫉，被迫出逃。
战后，渡过难关的前燕没有兑现向前秦求援时的割地许诺，燕主慕容暐遣使苻坚“分灾救患，理之常也”，双方因之反目。这直接导致前秦发动灭亡前燕的战争。
桓温的北伐没有灭亡前燕，前燕却因为桓温的北伐而走向灭亡。