在朝廷讨伐孙恩期间，荆州刺史桓玄无时无刻不在厉兵秣马，训练部队，扩张自己的实力，经常严密注视着朝廷内部所出现的每一个对自己有利的微小变化。当他听说孙恩逼近京师，便赶紧竖起军旗，集结队伍，向朝廷呈上疏奏，请求带兵去征讨孙恩。司马元显对此大为恐惧。正好赶上孙恩的军队撤了回去，于是，司马元显以诏书制止桓玄起兵。桓玄无奈，只好命令部队解除戒备。
此时，桓玄自以为已经拥有了东晋三分之二的疆土，所以多次让人向他呈上他可以做君主的天命符征和吉兆，打算用这些来迷惑百姓，又给会稽王司马道子写信说：“孙恩那些盗贼，上次逼近京城的近郊，因为风不顺而没有能够攻打进来，又因为天下大雨，而没有机会运用火攻，所以在粮食吃完之后，自然便回去了，并不是力量不足。过去，王国宝死了之后，王恭没有乘这时的威势，进一步统领朝廷政务，这就完全可以让人看出他的居心，并没有对您有丝毫的不敬和侮辱，但是，您却说他不忠。现在的朝中权贵，国家的心腹栋梁，深孚众望声名远播的人是谁？怎么能说没有更好的？只不过是您不能相信他罢了！长此以来，日复一日，才酿成像今天这样的祸患。在朝廷中的那些王公大臣们因为害怕大祸临头，所以不敢说话。桓玄我有愧远在外地任职，才有胆量揭露这样的事实。”司马元显看到了这封信，非常害怕。
元兴元年（402年）正月初一，朝廷下诏书，历数荆州刺史桓玄的罪状，任命尚书令司马元显为骠骑大将军、征讨大都督、都督18州诸军事，并把黄钺也加授给了他。又任命镇北将军刘牢之为前锋都督，任命前将军谯王司马尚之统率后卫部队。又下令实行大赦，改年号元兴。在都城内外戒严，任命会稽王司马道子为太傅。
司马元显打算借此机会把桓氏家族的人全部诛灭。中护军桓修是骠骑长史王诞（王导的曾孙）的外甥，王诞又很得司马元显的宠爱信任，所以，他向司马元显禀告了桓修等人与桓玄的志趣完全不同，司马元显才放弃了“诛灭”的想法。
东晋东部地区遭受孙恩民军所导致的战乱的影响，继以灾荒年景，百姓饥饿贫困，水路的粮食运输不能继续。桓玄以为朝廷正处在多事之秋，值得忧虑的事很多，一定没有闲暇来讨伐自己，因此，可以趁此机会积蓄力量，等待时机。等到朝廷征讨他的大部队就要出发的时候，他的堂兄太傅、长史桓石生秘密地用书信告诉了他这个消息。桓玄大吃一惊，打算把部队全部集结到江陵来据守。桓玄听从了长史卞范之的建议，留下桓伟镇守江陵，向朝廷呈上奏表，并把檄文公告传遍各地，揭露司马元显的各项罪行，同时挥师向东部（建康）进发。檄文传到都城建康，司马元显看到之后，非常害怕。
二月初七，安帝在西池为司马元显饯行。司马元显害怕桓玄，登上战船，却没有马上出发。
荆州刺史桓玄，从江陵出发，担心这次大规模的军事行动不能取胜，因此，常常怀着向西回军的打算，等到过了浔阳，还是看不见朝廷的部队，心中非常高兴，其他将士的斗志和士气也振作、旺盛起来。
二月十八日，朝廷下诏，派齐王司马柔之持驺虞幡（一种绘有驺虞图形的旗帜，用以传旨解兵）到荆州、江州两地及军中展示，告谕桓玄等立即停止军事行动。桓玄的前锋将领把司马柔之杀了。
二十八日，桓玄抵达姑孰，派遣他的部将冯该等人进攻历阳，襄城（今河南许昌）太守司马休之出城迎战失败，弃城而逃。
三月初，司马元显刚刚准备出发，听说桓玄的大部队已经到了新亭，便马上扔掉船只，返身上岸，退到城中的国子学里驻守。初三，又到宣阳门外去排开战阵，扎下大营。军营之中惊恐不安，传说桓玄的部队已经抵达朱雀航。司马元显带着部队准备回宫。这时，桓玄派遣先头部队拔出刀来，紧跟在他们的后边大声呐喊着说：“放下武器！”司马元显的部队彻底崩溃。司马元显乘着一匹马跑进了东府城，只有张法顺一个人骑马紧跟着他。司马元显向司马道子询问有没有什么办法，司马道子也只是面对着儿子哭泣不止。桓玄派遣太傅、从侍中郎毛泰把司马元显收押起来，送到新亭。桓玄把他绑在大船的前头，一条条列举他的罪状，司马元显说：“我不过是被王诞、张法顺所迷惑耽误罢了。”
初四，朝廷恢复隆安年号。安帝派侍中到安乐渚（在新亭之东）去慰劳桓玄。桓玄进人京师，宣称皇帝下诏书，命令解除戒严。朝廷任命桓玄统领文武百官，都督中外诸军事、丞相、录尚书事、扬州牧，兼任徐、荆、江三州刺史，加授给他黄钺。桓玄任命桓伟为荆州刺史，桓谦为尚书左仆射，桓修为徐、兖二州刺史，桓石生为江州刺史，卞范之为丹阳尹。至此，东晋王室尽在桓玄的掌控之下。
初五，有关部门呈上奏章，指责会稽王司马道子放纵酗酒，忤逆不孝，应该斩首弃尸示众。朝廷下诏，命令将他赶出京城（今南京），贬逐到安成郡（今江西安福）居住；将司马元显及其儿子东海王司马彦璋和谯王司马尚之。以及庾楷、张法顺、毛泰等人，押到建康城的街市上，全部斩首。桓修为王诞竭力求情，所以，将他长期流放到大庾岭以南的偏荒地区去了。
这年，安帝改年号大亨。桓玄改任太尉、都督中外诸军事、扬州牧，兼任豫州刺史，统领文武百官。任命琅邪王司马德文为太宰。
四月，桓玄出都城建康，去姑孰驻扎，辞去了录尚书事的官职。安帝下诏同意，但凡是大政方针，都要去桓玄那里请示，其他小事由尚书令桓谦和卞范之决定。
自隆安以来，东晋全国上下的百姓，对接连不断的天灾人祸、动乱战争，深感厌倦。等到桓玄刚刚来到京师，罢黜奸佞的小人，选拔贤明的才俊，建康的百姓非常高兴，都希望能得到一点安定的生活环境。但是，不久，桓玄便骄奢横暴，放纵享乐，政令变化无常，朋雄奸党纷纷出现，甚至对朝廷也大加欺凌侮辱，并把皇家御用的车马轿乘、供奉的食品用具等，也都随意裁减，连安帝也几乎不免挨冻受饿。从此，民众的心里非常失望。三吴地区发生大饥荒，住户人口减少了一半左右。其中，会稽郡十人之中减少三四人；临海、永嘉两地人口则几乎全部死亡。即使是富贵人家，也都穿着绫罗绸缎，怀里抱着金玉，关起门来相互之间看着饿死。
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