刘裕后从军，最初就任北府军将领冠军将军孙无终的司马。
晋安帝隆安三年（399年）十一月，孙恩在会稽（今浙江绍兴）起兵反晋，东南八郡纷起响应，朝野震惊。晋廷忙派卫将军谢琰、前将军刘牢之前往镇压。大概因为孙无终的荐举，刘裕转入刘牢之的麾下，担任参军。
十二月，刘牢之率部抵吴，刘牢之派刘裕领几十人侦察起义军的动向。不巧碰上了几千起义军，刘裕率众迎战，随从战死大半，而他还在酣战，手舞长刀，杀敌甚多。刘牢之的儿子刘敬宣担心刘裕久没音讯，恐怕是被起义军围困，就率轻骑寻找他。后来骑兵主力也到了，起义军逃退，斩杀俘虏千余人，刘裕乘胜追击，平定山阴（今浙江绍兴），孙恩逃回到海上。
隆安四年（401年）五月，孙恩又攻克了会稽，杀死谢琰。十一月，刘牢之再次领兵东征，孙恩败退。刘牢之驻扎上虞，派刘裕戍守句章城（今浙江宁波）。句章城矮小，士兵又不到数百名，刘裕常常披坚执锐，身先士卒，每战都冲锋陷阵在前，起义军这才退回浃口。
隆安五年（402年）春，孙恩频繁进攻句章，每次都被刘裕击败。三月，孙恩北击海盐，刘裕跟踪追击，在海盐县城旧址筑起城池。起义军白天来攻城，城内兵力空虚，刘裕就挑选数百人组成敢死队，都脱掉盔甲，手持短兵器，击鼓呐喊冲出城，起义军被震慑得丧失了士气，丢盔卸甲逃散，大帅姚盛被斩。虽然连战连胜，但众寡悬殊太大，刘裕私下甚为忧虑。刘裕设计假装弃城而逃，起义军信以为真，蜂拥进城，他乘其懈怠，伏击大败起义军。
六月，孙恩乘胜渡海，突然进军丹徒（今江苏镇江），士兵多达十余万人。刘牢之还驻在山阴，京师震动。刘裕日夜兼程，与起义军同时抵达丹徒。当时敌我众寡悬殊，又加上长途急行军十分疲惫，而丹徒守军又无斗志。孙恩率兵数万，击鼓呐喊攻打蒜山，蒜山居民都拿起扁担准备抵抗。刘裕率部猛烈攻击，大败起义军，起义军跳崖投水而死者甚众。八月，朝廷加封刘裕为建武将军、下邳太守，派他带领水军追到郁洲讨伐，刘裕又大败孙恩。孙恩南逃。十一月，刘裕追击孙恩到沪渎，在海盐，又大败孙恩。三战三捷，俘虏的起义军数以万计。起义军自此之后，由于饥饿、疾病、瘟疫，死了一大半，从浃口逃到临海。
在转战三吴的几年中，刘裕屡充先锋，每战挫敌，其军事干略得到初步显露。他不仅作战勇猛，披坚执锐，冲锋陷阵，且指挥有方，富有智谋，善于以少胜多。当时诸将纵兵暴掠，涂炭百姓，独有刘裕治军整肃，法纪严明。因讨乱有功，刘裕被封为建武将军，领下邳太守。他率水军继续追讨孙恩，迫使其投海而死。