二月初，当刘裕舰队沿着泗水水道折而向西时，数万燕军铁骑从北面狂奔而来，一直抵达泗水岸边一箭之地。
见敌军至，刘裕即令大军停止前进。
由于晋军是逆水而上，每条战舰都由士兵们在南岸上用一百多丈长的缰绳牵引着前进。
有时候，遇到水流湍急之处，或者天上突然刮起大风，牵引战舰的缰绳突然折断，战舰失去引力，往往随波逐流。
有一艘船不幸漂到对岸，顿时船上晋军士兵被后燕前锋骑兵斩杀殆尽。
更令晋军气愤的是，那些鲜卑人还挑着晋军尸体在岸边耀武扬威。
见燕军如此嚣张，激怒了晋军前锋大将向靖。
他当即率领十二名亲随乘坐小船，径直划向北岸，燕军五六百骑兵见此情形，都相视哈哈大笑。
向靖素来善射，登上北岸以后，即张弓搭箭，一连射杀了十几名鲜卑骑兵，剩余鲜卑骑兵均仓皇而退。
一番试探过后，大战正式开启。
鹰扬将军刘裕令大将向靖率领七百名猛士，带着一百辆战车，登上泗水岸边，距离河水一百多步，构筑却月阵型。
却月阵两端伸向河岸，每辆战车上有七名甲士。
部署完毕以后，刘裕又下令新月阵中竖起自己的大旗，以示他将与众将士共存亡。
等却月阵构筑完毕以后，阵中主帅大旗也竖立了起来，只见他一声令下，刘怀肃率领两千多人飞也似地进入阵地，他们携带了一百多张机械大弩（这是听从索承明建议后吸取了河西军优点）。
与此同时，每辆战车上也随之增加了二十人，并在车上竖起了防御大盾。
刚开始的时候，慕容隆看到数百晋军拉着战车上岸，都不明白晋军到底要干什么。
因此，他没有立即发起攻击。
直到看见晋军瞬间建立起了滩头阵地，他才赶忙发起进攻。
刘怀肃下令先用弱弓小箭射击，以引诱敌军上当。
果然，慕容隆见此情形，以为晋军兵少且武器装备不行，就下令大军从四面八方向新月阵地扑来。
于是，两万后燕大军对晋军阵营发起了全面攻势。
当燕军接近晋军营垒以后，大阵中刘怀肃突然下令士兵拿出连发的机械大弩，开始大量射杀敌人。
但是，敌人人数太多，即使那一百张大弩，也无法压制住蜂拥而上的敌人。
不过，之前刘裕已料到这点，遂提前预备了一千多条长矛。
当下刘怀肃下令将长矛装在大弩上，一发而去，瞬间洞穿三四个鲜卑人。
如此一来，极大地震慑了鲜卑人，终于顶住后燕人疯狂进攻。
晋军人数虽远远不及后燕，且都是新入伍的将士，但因为训练有素，又在刘裕不断激励下，众将士浴血奋战，依托却月阵大量杀伤了敌军。
刘裕见破敌时机已至，当即高声叫道：“本将受命援救徐州，立下誓言要竭尽全力。”
“同行诸君，或者与某一起历经艰难，或者深受陛下厚恩，此时奔退，还有什么脸面再见陛下与父老乡亲呢？”
说毕，刘裕亲自率领本部精锐上岸，朝燕军阵脚的西北杀来。
刘裕将区区数百之众置身于燕军两万大军之中，无疑于沧海之一粟，原无关大局。
然而，正是在刘裕这股敢死队的冲击下，燕军阵脚竟稍微松动了一下。
这种松动却很快象瘟疫一样波及到全军，顿时燕军整个阵脚一阵松动。
就在这一瞬间，晋军全军悉数压上，后燕大军整体向后退却，并最终形成了大的溃败。
刘裕凭借着“却月阵”以区区数千人竟然击败了数万后燕铁骑，一战打响了威名。
连带着向靖、刘怀肃、刘敬宣等人之名也让后燕人闻风丧胆。
这一战可以说挽回了徐州颓势，止住了局势继续崩溃，还迫使后燕不得不暂时后撤。
稍后，刘裕又派刘敬宣率领三千人北上，以解彭城之围。