桓温回到姑孰后，病渐沉重，但仍逼朝廷加其九锡之礼，并多次派人催促。谢安、王坦之见桓温病重，以袁宏所撰锡文不好为由命其修改，借此拖延。 同年七月，桓温姑孰病逝，终年六十二，至此锡文仍未完成。朝廷追赠桓温为丞相，谥号宣武，丧礼依照安平献王司马孚、霍光旧例，又赐九旒鸾辂、黄屋左纛等物。
桓温死后，将兵权交付弟弟桓冲，南郡公爵位则由幼子桓玄袭封。世子桓熙不服，遂与叔父桓秘、弟弟桓济谋杀桓冲，结果被桓冲发觉，都被流放长沙。 元兴二年（403年）十一月，桓玄代晋称帝，建立桓楚，追尊桓温为宣武皇帝，庙号太祖，墓为永崇陵。
主要成就
军事
东晋政权地处上江下游，若欲长治久安，必须依赖上游的巴蜀地区。只有上游可靠，下游才会安全。蜀灭于魏，孙吴遂难自保，“一片降幡出石头”，东晋不可不鉴。巴蜀地区战略地位重要，则消灭成汉政权也就势所必然。
永和二年（346年）十一月，桓温率军西征，并于次年（347年）三月攻克成都，逼降成汉末代皇帝李势，随即又平定李势旧部邓定、隗文的反叛。成汉政权割据蜀地四十四年，至此而亡。西征的胜利，不但使桓温威名日盛，也为日后的北伐行动提供了稳固的后方，增强了国力。
东晋立国江东，南方汉族政权及其统治下的汉族广大人民与北方少数民族统治者之间的民族矛盾，成为当时历史的主要矛盾。自王导提出“克复神州”的口号后，庾亮、庾翼、褚裒、殷浩都曾率军北伐，希望能收复故土。而桓温在掌控朝廷内外大权后，也开始了他的三次北伐，史称“桓温北伐”。
永和十年（354年），桓温北伐前秦，兵锋直指霸上，逼得前秦皇帝苻健退守长安内城。永和十二年（356年），桓温进兵河南，在伊水击败羌帅姚襄，收复旧都洛阳。但他太和四年（369年），桓温北伐前燕，一直打到枋头，距前燕国都邺城只有二百多里，还收复了淮水以北的广大地区，可惜最终以失败告终。
桓温三次北伐是王导“克复神州”口号的付诸实践，恢复了部分失地，打击了氐族、羌族、鲜卑族的统治者残暴统治，并以实际行动支持了北方各族人民的反压迫斗争，这些是符合当时中原人民愿望的。
政治
桓温在进行北伐的同时，深感朝廷“外难未弭，内弊交兴”，曾提出著名的《七项事宜疏》：
东晋朝廷渡江以来，对北来流民采取优待政策，并设置大量的侨州郡县（侨州、侨郡、侨县）予以安置，称为侨人。侨人的户籍称为白籍，不算正式户籍，也不负担国家的赋役。世族地主利用特权，荫庇大量流民，侵占良田，逃避赋役。自咸和年间起，东晋政府开始实行土断，撤销侨置郡县与侨籍，通过清查户口让侨民入当地户籍，同时担负课税与徭役，以稳定国家税收。
兴宁二年（364年）三月初一（庚戌日），桓温受命主持土断，史称“庚戌土断”。他不断土断侨居人户，对世族贵戚隐占人口也进行纠查，对隐匿户口的予以惩处。彭城王司马玄因违禁藏匿流民五户，被下廷尉问罪。仅会稽郡便“亡户归口三万余口”。这次土断卓有成效，使侨户上籍纳租，限制了士族特权，增加了政府租税调役的来源，还大大提高了东晋的经济与军事实力，为太和四年的伐燕之战，以及后来的淝水之战的胜利奠定了基础。
东晋是典型的门阀政治，世族门阀完全垄断中央政权。九品中正制成为门阀贵族仕进、升迁和垄断政治的工具，进一步确立了“举贤不出世族，用法不及权贵”的政治准则，导致了“贵仕素资，皆由门庆，平流进取，坐至公卿”的现象。高门士族世代担任高官美职，寒门地主则无进升之阶。 但桓温却能够招纳士人、任贤使能，他主要：
书法
桓温工书法，长于行草，字势遒劲，有王羲之、谢灵运之余韵，有《大事帖》传世。 唐代窦臮所著《述书赋》，收录有晋代六十三位书法家，其中便有桓温。 明代陶宗仪的《书史会要》也将桓温列入其中。
轶事典故
入峡之叹
桓温率军征蜀，进入三峡，看到陡峭的山壁好像悬挂在天上，翻腾的波涛迅猛飞奔，不禁叹息道：“既然要做忠臣，就不能做孝子，有什么办法呢？”他的意思是做忠臣就不能贪生怕死。
金城泣柳
桓温第二次北伐时，途经金城（侨琅琊郡郡治，今江苏句容北），看见自己早年担任琅琊内史时栽种的柳树已经有十围那么粗壮，感慨道：“木犹如此，人何以堪！”他攀着树枝，捉住柳条，不禁泫然泪下。
斥责袁宏
桓温北伐经过淮泗时，与属下僚属登上船楼，遥望中原，感叹道：“神州沦陷，中原化为废墟，王衍等人难逃罪责。”袁宏却道：“国家命运本来就有兴有废，又怎能说是王衍等人的过错呢。”桓温闻言色变，道：“我听说从前刘表有一只千斤重的大牛，吃的草料豆饼十倍于常牛，但载重走远路，还不如一只羸弱的母牛。魏武帝进入荆州，就把它杀了犒劳军士。”他是将袁宏比作大而无用的刘表牛。满座宾客无不骇然。
自比刘琨
桓温自认为雄姿英发，常以刘琨自比。他曾在北方得到一个老婢，曾是刘琨的家伎。老婢一见桓温，便潸然泪下，道：“您长得很像刘司空。”桓温大喜，连忙整理衣冠，问她哪里像。老婢答道：“脸庞很像，就是薄了点；眼睛很像，就是小了点；胡须很像，就是红了点；身材很像，就是矮了点；声音也很像，就是雌了点。”桓温怅然若失，“褫冠解带，昏然而睡”，好几日都闷闷不乐。
流芳遗臭
桓温素怀野心，曾躺在床上对亲信道：“如果一直这么默默无闻，将来死后定会被文景（指从曹魏手里夺得天下的晋景帝司马师、晋文帝司马昭）所笑话。”他随即霍然坐起，又道：“一个人若不能流芳百世，那就应该遗臭万年。”
犹患其重
桓温担任荆州刺史时，一心想在江汉地区施行德政，不想靠酷刑威慑百姓。令史受杖刑，木棒只是从官服上擦过。桓式对桓温道：“刚才我从官署门前经过，看到令史受刑，木棒举起时拂过云彩，落下时掠过地面。”他是在讥讽根本没有打到。桓温却道：“我还担心打得厉害了呢。”
宁为管仲
王珣曾问桓温：“箕子与比干，行事虽有不同，用心却都一样。不知您肯定谁，否定谁？”桓温道：“同样被称为仁人，那我宁愿做管仲。”
翣如母狗
王导与殷浩辩论，桓温、王濛、王述、谢尚都在座。王导感叹道：“刚才我们的谈论，竟然到了不知义理源流归属的地步。至于文辞，我们是不相上下的，正始年间王弼、何晏之间谈玄，可能也就这样了。”次日，桓温对人道：“作业听殷、王二人清谈，非常美妙。谢仁祖也不感到寂寞，我也时时心有所得。回头再看看王濛和王述，就跟身上插着漂亮羽毛扇的母狗一样。”他是在讥讽王濛二人不懂装懂。
哪得坐谈
一次，桓温雪天打猎，碰到王濛、刘惔等人。刘惔见桓温一身戎装，问：“老贼欲持此何作？”桓温说：“我若不为此，卿辈那得坐谈？”
戏弄刘惔
桓温去探望名士刘惔，看到刘惔躺在床上，便用弹弓打他的枕头。结果弹丸迸碎在褥子上。刘惔勃然大怒，起身说道：“使君，这样你就能在战斗中获胜吗？”他是在讥讽桓温当兵出身，做事不离本行。桓温脸色非常不满。
不能语卿
曾经有人向桓温请教谢安、王坦之二人的高下。桓温刚想说，又后悔了，道：“你喜欢传别人的话，我不能告诉你。”
历史评价
总评
桓温生活简朴，富有军政之才，很熟悉兵法，也善于用兵，但并不是一个出色的军事家。其战绩是负多胜少，而且多数是先胜后败。桓温一生主要有四次征战，即一次西征和三次北伐。西征之役胜之侥幸；第二次北伐虽胜，但规模不大；第一、三次北伐则都是惨败而归。这有主客观二方面的原因。
从主观上来说，桓温北伐不是真正想收复中原，而是志在立威，企图通过北伐，树立个人威信，伺机取晋室而代之。因此，他在作战中务求持重，在大好形势下常常观望不进，贻误战机。桓温确实很熟悉兵法，也善于用兵，但还不是一个出类拨萃的军事家。用兵贵在多谋善断，相机而动。桓温于此却略逊一筹。他多次在大好形势下观望不进，虽与他志在立威，无意真正北伐有关，但也反映出他用兵不善于捕捉战机，缺乏灵活性。…
