兴宁三年（365）二月，慕容垂随慕容恪共攻洛阳。三月，克之，俘杀扬武将军沈劲。随即慕容恪略地至崤、渑，关中大震，秦王苻坚屯陕城以防燕军。慕容恪以慕容垂为都督荆、扬、洛、徐、兖、豫、雍、益、凉、秦十州诸军事、征南大将军、荆州牧，配兵一万，镇鲁阳。慕容恪对慕容垂变现出来的军事才能大为惊奇，甚为倚重，常对慕容暐说：“吴王将相之才十倍于臣，先帝以长幼之次，以臣先之，臣死之后，愿陛下委政吴王，可谓亲贤兼举”（《晋书·慕容垂载记》）。后慕容恪病重，深虑慕容暐手中无权，而慕容评又多猜忌，便对慕容暐之兄乐安王慕容臧说：“今劲秦跋扈，强吴未宾，二寇并怀进取，但患事之无由耳。夫安危在得人，国兴在贤辅，若能推才任忠，和同宗盟，则四海不足图，二虏岂能为难哉！吾以常才，受先帝顾托之重，每欲扫平关、陇，荡一瓯、吴，庶嗣成先帝遗志，谢忧责于当年。而疾固弥留，恐此志不遂，所以没有余恨也。吴王天资英杰，经略超时，司马职统兵权，不可以失人，吾终之后，必以授之。若以亲疏次第，不以授汝，当以授冲。汝等虽才识明敏，然未堪多难，国家安危，实在于此，不可昧利忘忧，以致大悔也”（《晋书·慕容暐载记》）。五月，慕容恪病逝，临终前，慕容暐亲临问以后事，慕容恪再次向慕容暐推荐慕容垂，说：“臣闻报恩莫大荐士，板筑犹可，而况国之懿籓！吴王文武兼才，管、萧之亚，陛下若任之以政，国其少安。不然，臣恐二寇必有窥窬之计”（《晋书·慕容恪载记》）。
枋头大捷
慕容恪病死后，太和四年（前燕建熙十年，369）四月，东晋大司马桓温亲率步骑5万开始北伐前燕（参见晋攻前燕之战）。 东晋建威将军檀玄攻克湖陆（今山东鱼台东南），俘燕慕容忠。前燕下邳王慕容厉为征讨大都督和晋军战于黄墟（今河南开封东），燕军大败，燕高平太守徐翻举郡降晋。晋邓遐和朱序又打败燕将傅颜。慕容暐于是派散骑常侍李凤去前秦求援。七月，桓温进驻武阳（今山东莘县东南），前燕孙元率宗族起兵响应，桓温到达枋头（今河南浚县西南）。东晋大军连战连胜，使慕容暐和太傅慕容评十分恐惧，商议欲逃故都和龙（今辽宁朝阳）。这时，吴王慕容垂请求率兵抗晋，他说：“不然。臣请击之，若战不捷，走未晚也”（《晋书·慕容暐载记》）。慕容暐以慕容垂代替慕容臧为南讨大都督，率征南将军慕容德等5万步骑抵御桓温。
慕容暐又派散骑侍郎乐嵩往前秦求救，并答应以割，让虎牢（今河南荥阳西北汜水镇）以西的土地给秦为条件。前秦王苻坚召集群臣商议，采纳王猛先援弱击强，后再乘燕衰而取的建议。八月，派将军苟池和洛州刺史邓羌率领步骑2万救援前燕。援军从秦洛州（今河南）出发，出洛阳进屯颍川（今河南许昌东），又派散骑侍郎姜抚去燕国报信。
桓温接连失利，粮草中断，又听说前秦援兵将要到达，遂下令焚烧战船，丢下辎重、铠仗，率军从陆路撤回。桓温从东燕(治今河南汲县东南)出发，撤退途中恐前燕追兵在上游放毒，命士卒凿井取水饮用，这样一直行走了700里。前燕诸将争欲追击，慕容垂说：“不可。温初退惶恐，必严设警备，简精锐为后拒，击之未必得志，不如缓之。彼幸吾未至，必昼夜疾趋；俟其士众力尽气衰，然后击之，无不克矣”（《资治通鉴·卷第一百二》）。于是，慕容垂亲率骑兵8000尾随桓温军行进。桓温果然加速退兵，几天以后，慕容垂告诸将曰：“温可击矣”(《资治通鉴·卷第一百二》)。遂令诸将急进，在襄邑(今河南睢县)追上桓温。慕容德先率领4000名精锐骑兵埋伏于襄邑东涧中，和慕容垂东西夹击桓温，大败晋军，斩首3万人。
时秦将苟池又于谯郡截击桓温，晋军死者复以万计。晋将孙元据守武阳抵抗燕军，被燕左卫将军孟高擒获。十月，天气渐冷，桓温收集余众，屯于山阳（今江苏淮安）。至此，桓温攻燕以失败告终。
出奔前秦
慕容垂大败桓温，威名大振，慕容评对慕容垂是又忌又恨。后慕容垂为了奖励麾下将士，便上奏：“所募将士忘身立效，将军孙盖等摧锋陷陈，应蒙殊赏”（《资治通鉴·卷第一百二》）。但被慕容评压住不报。慕容垂大为不满，与慕容评相争。太后可足浑氏素恨慕容垂，遂毁其战功，与慕容评相谋，欲杀慕容垂。慕容恪之子慕容楷及慕容垂舅兰建知道后，告诉慕容垂说：“先发制人，但除评及乐安王臧，馀无能为矣。”慕容垂心中不忍，说：“骨肉相残而首乱于国，吾有死而已，不忍为也”（《资治通鉴·卷第一百二》）。不久，二人又告诉慕容垂说：“内意已决，不可不早发。” 慕容垂说：“必不可弥缝，吾宁避之于外，馀非所议”（《资治通鉴·卷第一百二》）。
慕容垂心中忧虑，未敢将此事告诉诸子，同时也是怕引起诸子的骚动。世子慕容令说：“尊比者如有忧色，岂非以主上幼冲，太傅疾贤，功高望重，愈见猜邪？”慕容垂说：“然。吾竭力致命以破强寇，本欲保全家国，岂知功成之后，返令身无所容。汝既知吾心，何以为吾谋？”慕容令说：“主上暗弱，委任太傅，一旦祸发，疾于骇机。今欲保族全身，不失大义，莫若逃之龙城，逊辞谢罪，以待主上之察，若周公之居东，庶几可以感寤而得还，此幸之大者也。如其不然，则内抚燕、代，外怀群夷，守肥如之险以自保，亦其次也”(《资治通鉴·卷第一百二》)。慕容垂觉得这个办法很好，遂同意。十一月，慕容垂以打猎为由，微服出邺，准备回故都龙城。到邯郸时，却出了意外，幼子慕容麟向来不为慕容垂所宠爱，便向慕容评告状，慕容垂左右也多有离去。慕容评知道后，在慕容暐面前尽说慕容垂坏话，遂派西平公慕容强率精骑追之，到范阳(今北京)时，慕容垂派慕容令断后，慕容强不敢追赶。时天将晚慕容令对慕容垂说：“本欲保东都以自全，今事已泄，谋不及设。秦主方招延英杰，不如往归之。”慕容垂说：“今日之计，舍此安之”（《资治通鉴·卷第一百二》）
慕容垂“乃散骑灭迹，傍南山复还邺，隐于赵之显原陵”（《资治通鉴·卷第一百二》）。又杀白马以祭天。慕容令对慕容垂说：“太傅忌贤疾能，构事以来，人尤忿恨。今邺城之中，莫知尊处，如婴儿之思母，夷、夏同之。若顺众心，袭其无备，取之如指掌耳。事定之后，革弊简能，大匡朝政，以辅主上，安国存家，功之大者也。今日之便，诚不可失，愿给骑数人，足以办之。”慕容垂说：“如汝之谋，事成诚为大福，不成悔之何及！不如西奔，可以万全”（《资治通鉴·卷第一百二》）。慕容垂遂率部西行，至河阳，斩津吏而渡。遂自洛阳与段夫人，子慕容令、慕容宝、慕容农、慕容隆，慕容恪之子慕容楷，舅兰建，郎中令高弼一起投奔前秦，只留可足浑氏于邺。乙泉戌主吴归率兵追击，被慕容令击退。
自慕容恪死后，前秦王苻坚便有伐燕之意，但一直未成，一是因内乱，二是忌惮慕容垂之威名。苻坚闻慕容垂来归，大喜，亲自到郊外迎接，执其手说：“天生贤杰，必相与共成大功，此自然之数也。要当与卿共定天下，告成岱宗，然后还卿本邦，世封幽州，使卿去国不失为子之孝，归朕不失事君之忠，不亦美乎！”慕容垂感谢地说：“羁旅之臣，免罪为幸。本邦之荣，非所敢望”（《资治通鉴·卷第一百二》）！苻坚爱慕容令及慕容楷之才，皆厚相待，赏赐巨万，每次进见，都属目观之。关中士民素闻慕容垂父子名，皆向慕之。
秦相王猛深知慕容垂有雄略，怕将来引以为患，便对苻坚说：“慕容垂，燕之戚属，世雄东夏，宽仁惠下，恩结士庶，燕、赵之间咸有奉戴之意。观其才略，权智无方，兼其诸子明毅有干艺，人之杰也。蛟龙猛兽，非可驯之物，不如除之。”苻坚未从，说：“吾方以义致英豪，建不世之功。且其初至，吾告之至诚，今而害之，人将谓我何”（《晋书·苻坚载记》）！并以慕容垂为冠军将军，封宾都侯，食华阴五百户。 …
