随着殷浩北伐的失败，永和十年（公元354年）正月，桓温上奏朝廷，列举殷浩罪状，司马昱无奈中只能将殷浩废为庶人。桓温自此大权在握，也没有人可以反对桓温北伐了。
此时的北方大地，后赵早已灭亡。前燕攻灭冉魏，苻健入关中建立前秦。此前殷浩北伐，主要就是为了拿下前秦控制的洛阳，但遭到失败。而桓温此次的目标还是前秦，毕竟永和六年（公元350年）苻健才占据关中，建立前秦，其根基相对较浅。
永和十年（公元354年）二月，桓温率军北伐前秦，开启了他的第一次北伐。桓温亲自率领步骑四万自江陵出发，由水路自襄阳入均口，然后自淅川直趋武关。另一方面桓温命梁州刺史司马勋兵出子午道，合击秦军。三月，桓温这边先派先头部队军进攻上洛，俘虏了前秦荆州刺史郭敬，借着桓温大军继续前进，攻破青泥，司马勋这边也夺取了前秦的西部边陲地带。另一边前凉秦州刺史王擢，也开始进攻陈仓以接应桓温。一时间三路大军攻向前秦。
东晋大军压境，前秦君主苻健也赶忙调兵遣将，派遣太子苻苌、丞相苻雄、淮南王苻生、平昌王苻菁、北平王苻硕等人率兵五万驻屯峣柳以作抵抗。四月，桓温率军在蓝田县与苻苌等军大战，前秦淮南王苻生骁勇善战，苻生单骑冲入敌阵，前后斩将夺旗十余次，令晋军伤亡甚大。但桓温亲自统率大军力战，这才击败前秦大军。另一边，桓温之弟桓冲也在白鹿原击败苻雄大军。桓温大军乘胜继续向长安进发，进据长安城东边的灞上。苻苌等退兵在城南扎营。苻健自己率领老弱兵六千人固守长安小城，同时派大司马雷弱儿等人统率精锐部队三万人作为机动作战的兵力与苻苌会合，以此来抵御桓温。
一时间前秦首都长安岌岌可危，长安附近的各郡县都来向桓温归降，桓温安抚百姓并让他们恢复原来生活，使其安居复业。关中百姓牵牛担酒沿路迎接桓温大军，许多老人更是痛哭失声：“不图今朝复睹官军。”毕竟永嘉之乱，西晋灭亡后，晋军就没来到过这个地方了。
此时桓温如果一鼓作气，那就很有希望一举攻克收复长安。面对这个形势，顺阳太守薛珍也劝桓温直逼长安，出人意料的是，桓温没有采纳这个意见，反而是驻屯灞上后就没有进渡灞水，与前秦军形成了相持对峙的局面。
桓温驻军灞上的时候，不少名士前来拜访。一个身穿麻布短衣的人，径直来到桓温大营求见。对于这个看着有点奇怪寒酸的人，桓温倒是没有拒绝不见，反而将他请入大营，桓温请此人谈谈对时局的看法，这人倒也奇怪，在大庭广众之中，一面扪虱，一面纵谈天下大事，滔滔不绝，旁若无人。桓温见此情景，心中暗暗称奇，脱口问道：“吾奉天子之命，率锐师十万，杖义讨逆，为百姓除残贼，而三秦豪杰未有至者何也？”那人倒是直言不讳地回答道：“公不远数千里，深入寇境，长安咫尺而不渡灞水，百姓未见公心故也，所以不至。”听到这话，桓温默然不语无法回答。其实桓温自己心里明白，自己北伐其实是为了提高声望，耗尽实力恢复关中，只能得个虚名，而地盘却要落于朝廷；与其消耗实力，失去与朝廷较量的优势，不如留敌自重。眼前这个人的一番话看似平常却点破了桓温的心思，桓温觉得此人之才是东晋那些名士所能媲美的。这个人不是别人，正是日后辅佐苻坚统一北方的王猛。
桓温驻军灞上与前秦军对峙，除了犹豫不决保存实力外，也有军粮跟不上的原因。桓温大军进入关中时，正值麦收时节，他就打算就地收麦，以解决军粮问题，于是屯兵不前。苻健看出了桓温的盘算，适时组织反攻，令苻雄先率七千骑进袭司马勋，并在子午谷击败他，司马勋退守女娲堡。之后前秦大军又在白鹿原与桓冲大战，杀晋兵万余人。前秦更是抢先桓温一步收割麦子，实施坚壁清野，令桓温陷入缺粮困境。在战事不利和缺粮之下，当年六月桓温只能迁关中三千多户人南归。苻苌见桓温退兵，马上领兵追击桓温大军，至潼关时已屡败晋军，伤亡数以万计。桓温手下邓遐独自殿后，射伤苻苌，前秦军大惧，不敢再追，桓温大军才能缓缓而退。苻苌被射伤，之后也因箭伤去世，射杀前秦太子，这也算是桓温这次北伐的最大成果。另一方面，进攻陈仓的司马勋和王擢虽攻破陈仓，但因为桓温败退，苻雄等于是集结力量进攻陈仓，将司马勋和王擢击败，司马勋逃奔汉中，王擢逃奔略阳。桓温的第一次北伐至此结束。
至于王猛，桓温临走前也想带走他。桓温赐给王猛华车良马，又授予王猛高级官职都护，请王猛一起南下。但在士族内耗不断的东晋，寒门出身的王猛难以有所作为。同时桓温这人素有异志，辅佐他势必玷污清名。犹豫之间王猛回到华山向自己的老师请教，老师对他说“卿与桓温岂并世哉！在此自可富贵，何为远乎！”。于是王猛拒绝了桓温的邀请，继续隐居读书直至苻坚邀请出山。
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