在劉裕躍馬親將之際，胡藩與向彌走別道繞至敵後攻城，並揚言晉方大軍正從海道相繼而來。臨朐城守兵本就很少，被他們這一詐又內心惶懼。胡藩、向彌迅速帶軍攻城，親冒矢石披甲先登，很快就攻克了此城。後又分兵出城擊敵，並令軍士在城上遙助聲勢。如此一來，晉軍士氣倍增，前後夾擊，燕軍大敗，開始大規模的潰退。慕容超驚懼萬分，單騎奔到段暉處尋求保護。段暉與公孫五樓帶領十餘大將，百餘名精兵保護慕容超退走。劉鍾、檀韶不顧身上的創傷，帶騎兵緊追燕主。段暉對公孫五樓說道“晉賊逼得太緊，我與諸將留下斷後，請將軍速速帶陛下撤離。”當下便分予五樓數十名騎兵帶慕容超退走，段暉則帶領將士掉轉馬頭迎戰晉追軍。段暉挑殺數名晉軍後接着檀韶，數合後被其一槍刺落馬下。劉鍾也力殺三將，剩餘敵騎紛紛散去。
慕容超得以逃回廣固城，而晉軍也已追至。由於夜色已晚，劉裕下令圍城不攻、休息士卒。次日天剛矇矇亮晉軍就開始攻城了，不幾天就攻克了外城，慕容超收衆入保內城。由於內城堅固，劉裕屢次攻擊都未得利，前番臨朐會戰晉軍傷亡又十分慘重，劉裕決定圍城緩攻。令軍士環城築壘，圍牆高近十米，又開挖了三重溝塹。撫納降附之人，親近賢俊人才，燕人大悅，降者越來越多。
慕容超這回才後悔了自己的獨斷，他把桂林王慕容鎮從牢裡請出來，謙恭的說道“令愛弟受苦了。都是我的過錯。目前這形勢，我們尚可挽回嗎？”慕容鎮說道“孤城艱危。願陛下下詔罪己，把城內所有金帛拿出來犒勞兵士，我們尚有數萬散卒，背城決一死戰，或能破敵。即便不幸而敗，爲國戰死也勝於坐以待擒。”樂浪王慕容惠說道“不可，陛下親督六師奔敗而回，羣臣離心，士民喪氣。晉兵已勝，氣勢百倍，我們以敗卒當之，必無勝理。依我看，不如向秦請救兵。秦與我共據中原東西兩面，脣亡齒寒安有不救之理！”慕容鎮反駁道“如今後秦內亂未平，自顧不暇，怎肯分兵救我？”
慕容超決定聽從慕容惠之言，派出張綱向秦求師相救。張綱來到長安，見到秦主姚興，行禮後表明來意，說道“我們大燕與貴國素來相好，如今我國不幸敗於南賊，都城被圍，還請大王出兵相助。”
當時北方新崛起之夏國國主赫連勃勃侵擾後秦不斷。赫連勃勃本是匈奴族，父祖輩臣屬前秦，趁苻堅國亂時據有朔方之地。後來被魏國所敗，赫連勃勃投奔姚興。姚興見而奇之，深加禮敬，拜其爲驍騎將軍，常參軍國大議，寵遇逾於勳舊。姚興弟姚邕言於興曰：“勃勃天性不仁，難以親近。陛下不宜寵遇太甚。”姚興曰：“勃勃有濟世之才，吾方收其才用，與之共平天下，有何不可！”乃以勃勃爲安遠將軍，使其輔助沒奕於鎮高平，以三城、朔方雜夷及衛辰部衆三萬配之，使爲伐魏偵候。姚邕固諫以爲不可“勃勃奉上傲慢，御衆殘忍，貪暴無親，使其鎮守北方，如放虎歸山，終將爲害。”興不聽。後來，姚興又以勃勃爲安北將軍、五原公，配以三交五部鮮卑及雜虜二萬餘部落，鎮朔方。時河西鮮卑杜崘獻馬八千匹於姚興，渡河，至大城，勃勃擅自留之，召其衆三萬餘人僞裝去高平川打獵，趁機襲殺沒奕於，吞併其衆。赫連勃勃既據有數城，擁兵數萬，便建國號爲夏，興兵南犯後秦。
姚興此時嘆道“目前我國正忙於對付胡賊赫連氏，怕難以抽出軍隊啊！”張綱道“那劉裕狼子野心，久有吞併中原之志。秦燕並處中原，只怕燕滅及秦啊，脣亡齒寒，還請大王三思!”姚興考慮些時，最終答應了張綱，令姚強帶步兵一萬、騎兵三千前往。
張綱與姚強兵行到洛陽，忽然得到秦使者的傳喚，要令姚強把兵帶回長安對付大夏。姚強言道”朋友，對不住了，主上有令，在下不得不回。”原來秦主姚興親往征討赫連氏，爲夏所敗，大將姚榆生被斬，姚文崇捨命力戰，才阻止了赫連勃勃的追軍。因此姚興下令召回姚強的軍隊。張綱無助的說道“可嘆我燕國要滅亡了！”
劉裕正思如何攻克內城，忽報有後秦使者來到。劉裕接見，使者說道“我主姚興令我傳話給劉大將軍麾下‘慕容氏與我秦國多年友善，如今攻圍甚急，我國己派鐵騎十萬屯駐洛陽。若晉能即刻還師，我將兵使招回。如若不能，十萬鐵騎將長驅而進，兵戎相見。”“哈哈哈，”劉裕大笑三聲“回去告訴姚興，我克燕後，休兵三年，當前往秦地收取我關陝河洛之地，今日如能相送更好，秦燕我一併拿下！”
使者聽後驚駭倉皇而走。劉穆之聽聞有使者到來，趕忙前來，此時使者已走。劉裕將對話內容告訴他後，穆之緊皺眉頭說：“平日事無大小，將軍都與我商議。你這樣說話圖個嘴上痛快，要真惹怒姚興，他派重兵前來，豈不誤了我們的大事？”劉裕不以爲然，“呵呵，此爲兵機，非卿所解。兵貴神速，彼若能救，一定怕我知道，又怎敢派使者來相告？因此秦方一定是誇大之辭。我方軍士不出已久，羌族人怕我伐燕成功，又有夏國侵擾，自顧不暇。因此內懼不已，無力援救纔是其實情!”
姚強走後，張綱與隨從幾人回燕覆命，經過泰山時，被晉軍抓獲送到劉裕處。穆之此時大是驚歎劉裕之言。劉裕向張綱說道“既然秦救不至，燕滅就在眼前。請君向城內呼降，降者一律不殺，免得城破之時多傷人命!”張綱僞許。於是把張綱升到樓車上，推近城。城內人被圍既久，渴盼救援，見是張綱，紛紛翹首。張綱大聲喊道：“秦兵十萬已在洛陽集結，不日即到。我們定要固守城池，保住家園，燕國萬歲!”城上大呼迴應“萬歲…萬歲”劉裕大怒，當下就要斬了張綱。劉穆之勸道“將軍且先平息下怒氣。近來降人都說張綱事母甚孝，今日看來，他不但孝順且忠於其國。既忠且孝之人，我們殺之怕會使敵國來降之人寒心哪！”劉裕態度有些緩和，向張綱說道“聽說你善於製造攻城器械，若能爲我督辦，當繞你性命。”張綱拒絕“要殺便殺。我未能搬來救兵已覺愧對國人，更何況吾有老母在城內，爲了母親也不能爲你所用。”劉裕無奈，便暫時派人將其看押起來。