桓大司马总共进行了三次北伐。
第一次是354年征讨前秦。桓温在蓝田一带击败秦军，一度推进至长安以东的灞上。但因前秦采取坚壁清野策略，晋军粮草断绝，最终被迫退兵。
第二次是356年征讨姚襄。桓温在伊水大败姚襄，成功收复洛阳，但没多久洛阳得而复失。
第三次是369年征讨前燕。桓温初期进展顺利，一度进抵枋头。但随后粮道被前燕将领慕容垂切断，加上前秦援军配合夹击，晋军在襄邑大败，损失惨重，收复的淮北土地也再次丧失。
这三次北伐中，仅第二次成功收复洛阳，但未能长期固守。其余两次都因为桓温“怯战”而未能获取大功。
胡三省在注《资治通鉴》时，对桓温北伐失败的评注非常恰当。他认为桓温是“奸雄”，北伐意在积累个人威望以图篡位，而非真心恢复疆土，这种“持重观望”的投机心态最终导致其“情见势屈”而败。
桓温伐秦至灞上、伐燕至枋头，都是乘胜进逼敌国都城的有利局面。但他却“持重观望”，没有全力进攻。他期望的是敌人望风畏威、内部自行崩溃。然而，当敌军并未出现内乱时，桓温便陷入“持重以待”的被动。等到己方粮尽势穷，敌人趁机反击，失败便不可避免。
胡三省也承认，桓温不渡灞水、徘徊枋头也不只是怯战，因为当桓温到达前线后才真正看清北伐难处。桓温的智谋虽不足以“禁暴定功”，但确实远超常人，其失败根源不在于完全不懂军事，而在于政治野心绑架了军事决策，不敢也不愿全力死战。