不敢喝河水，怕燕军下毒，每每派兵士凿井取饮。又累又饿只有一大肚子水饱的晋兵仓皇回逃，日夜兼行，七百里马不停蹄。
燕将个个摩掌擦拳，自告奋勇要追杀晋兵。
燕国吴王慕容垂老谋深算，说：“现在不可急追。桓温撤兵惶恐，必严设后备，挑选精锐军士殿后，回击有准备之军，不易得手。晋兵昼夜疾趋，心中必庆幸我们没有发兵追及。等他们跑累了，力尽气衰之时，我们一举攻击，肯定大胜。”
于是，慕容垂不慌不忙，亲率八千精骑行蹑于晋军之后，一路尾随。数日之后，思忖晋兵已力乏，慕容垂忙下令：“可以直击桓温军队！”
于是，燕兵个个扬缰跃马，手持利矛，在襄邑（今河南睢县）追及晋军。晋军惶急之下，起先还挣扎抵抗，不久，先前回到襄邑东涧的燕国范阳王慕容德四千伏兵也忽然而起，大叫杀至，双方夹击，大破晋军，斩首三万余级。逃至谯郡，桓温军又遭燕将苟池截击，又损失上万人马。
其实，早在桓温失败之前，前秦两位大臣之间的对话中，早有人预料到日后的结局。前秦太子太傅封孚问另一位大臣申胤：“桓温士众强整，乘流猛进，今大军逡巡高岸，兵不接刃，结果会如何呢？”申胤答道：“从桓温现在的势头，似乎大有可为。但以我的观点，他必定不会成功。因为晋朝皇室衰弱，桓温专制其国，晋廷朝臣未必和他同心。所以，桓温得胜，是晋臣不愿见到的结果，一定会千方百计阻挠其事。同时，桓温骄而恃众，怯于应变，以大军深入，放着好机会不加以利用，反而持重观望，欲图不战而取全胜。如果日后晋军乏粮，军心摧沮，肯定会不战自败。”申胤一席话，几乎是百分百预言了枋头之役。因此，内部之间的三心二意不团结，是东晋群臣一直不能北伐胜利的最关键因素。
11月，桓温收集散余兵士，在山阳（今江苏淮安）屯军，稍稍才能喘口气。此次北伐，就以桓温的完全失败而告终。
大军显败而还，晋帝仍派人携牛酒至山阳犒军，并遣会稽王司马昱于途中迎接桓温。祸不单行，桓温之妻南康公主不久也病逝。
桓温郁闷至极，深以枋头之败为耻。同时，他差遣百姓大筑广陵城，自己率军移镇其中。由于屡起兵役，又加上瘟疫流行，百姓困苦，死者近半，一时间远近嗟怒，桓温威望渐损。