桓温担任荆州刺史的时间，是公元346年，这一年的他34岁，正是一个政治家风华正茂的时代，他继续自己的“奋青”之路。在他到任之前，任何一任荆州地方官，主要的施政方略，大多都是围绕怎样加强荆州的防务，桓温到任后，立刻提出了一个疯狂的想法——主动进攻。桓温认为，当时东晋的北面，是羯族枭雄石勒建立的后赵政权，这个政权在当时的中国北方属于最强，东晋的东面，是氐族人李氏建立的成汉政权。这时候偏安东南的东晋政权，在它的正北面和正西面，都面临着强敌，一旦对方联合攻击，腹背受敌的东晋，就会变得非常危险，无论怎样加强防御，都无法长期持久。对比后来的南宋政权就知道了，南宋晚期，对于防御蒙古军入侵不可谓不努力，铁壁坚城的钓鱼城，甚至创造了击毙蒙古可汗的战功，而血肉铸就的荆襄防线，更让天下无敌的蒙古大军付出了沉重代价。但是，当南宋西面的大理被攻克后，腹背受敌的南宋，立刻全线崩溃。东晋当时的边防形势，和南宋差不多，甚至可以说更糟糕，因为东晋在人口、兵源，还有最关键的经济实力上，都远远不如后来的南宋。这个危险的战略漏洞，被到任荆州的桓温一眼发现了。
桓温不但发现问题，还要解决问题，北面的石勒和西面的成汉，东晋至少要解决掉其中一个。桓温的主张是“先易后难”，也就是对北面石勒政权以防御为主，集中力量，消灭盘踞在四川的成汉政权。他的奏议一出，立刻使东晋满朝哗然。自古以来，蜀道难难于上青天，是中国人的共识，北面的石勒政权，统治区域为平原，从地理角度说更容易攻打;西面的成汉政权，有四川盆地的天险庇护，就是三国时候的刘备，也是费尽心机，耍诈才得以进去的。桓温的这个主张，表面看是不合常理的。对此，桓温陈述了自己的主张，他认为北方的石勒，这时期仍然处于政权的上升阶段，军事力量强大，在统治区域里也很有政治手腕，很会收揽北方民心，不是一时可以战胜的。而四川的成汉则不同，这时候的成汉政权，已经日益腐朽，和四川百姓离心离德，正是消灭它的最好机会。虽然出身贵族，但这时候的桓温，已经很懂人心向背的道理。
但东晋大多数士族是不懂的，因此桓温的奏议，遭到了许多大臣的反对，包括当年举荐桓温的何充，关键时刻，桓温儿时的另一个朋友，当时的名臣刘炎，坚决地站在了桓温的一边。此时刘炎正得晋安帝的宠信，说话很有分量，他认为桓温的主张是可行的，甚至对晋安帝说“观其蒲博，不必胜，则不为”。他这句话真可谓说到了桓温心里，桓温打仗最主要的特点就是谋而后动，没有百分百的把握，他绝对不会打。
公元347年三月，桓温率领荆州大军，开始了西平成汉政权的战役。在进入四川之后，桓温采取了一种更疯狂的打法，他把军队中所有的老弱兵马，都留在四川外围的彭山县看守辎重，自己亲自挑选了精壮士兵组成突击队，每个人只带了3天的干粮，以示有进无退之心。在作战之前，他亲自发表演说，并且给士兵们展示，他和士兵们一样，只有3天的干粮，如果打不赢，死就死在一起。这一招果然激得三军士气高涨。战斗打响后，东晋军队大胆突击，从彭山县直接抄小路插入到成都，在成都西南与成汉皇帝李势展开决战，给成汉政权来了个“黑虎掏心”。在之后的成都之战中，成汉军队更被桓温“掏”惨了，这一战打得格外艰苦，成汉军队背水一战，个个奋勇冲锋，急行军3天且粮食已尽的晋军渐渐不支。最危险的时刻，桓温的参军龚户战死，桓温自己的战马也被敌人的弩箭射中，危急之下，桓温换马再战，昂首站在敌人弓弩最密集的地方，他的身先士卒，激起了全军的死战之心，三军奋勇冲杀，决死一搏的成汉军队，最终倒在了更坚韧的桓温面前。此战成汉军被斩首2万多人，几乎全军覆没。东晋军队也伤亡惨重，桓温本人5处受伤，最严重的一处，肩膀被敌人的弓箭射穿，血流不止。但桓温却若无其事，和士兵们谈笑风生，在慰问完了士兵后才接受治疗，相当有魏晋风度。战后，成汉国主李势投降，桓温却对李势的妹妹一见倾心，娶她做自己的小妾，并留下了“我见犹怜”的感慨。自此，沦陷近半个世纪的四川大地，基本全境收复。
四川的收复，对于东晋政权的巩固有着重要意义，四川大地物产丰富，经济上的意义不用说，军事上的意义同样重大。整个的南中国汉地，基本被东晋连成一片，四川成为了东晋抗击北方政权侵略的坚定大后方。政治上的号召意义更是无可估量。东晋用行动告诉天下，特别是告诉在沦陷区的百姓们，东晋不是一个偏安的政权，他们会利用一切机会，完成光复河山的梦想。
收复四川之后，桓温一战成名，俨然成为了东晋朝廷里的第一战神。但是“功高震主”的猜忌，也随即到来了。收复四川，只是桓温战略计划中的第一步，他一生最大的梦想，是光复北方的山河。比起战前内外局面的顺风顺水，之后东晋的政治形势，越发对桓温不利。这时候的东晋政权，士族当道，虽然此时的士族，还保持着对国家的责任心，但是在收复北方的问题上，东晋内部的意见并不统一。收复四川之战打响前的各派争论，其实只是表象，关键问题是东晋政权是依靠江南本地名门望族的拥立才得以扎根的，如果东晋成功光复北方国土，势必会迁都回经济人口更为发达的北方地区，那么江南世家大族对于东晋王朝的价值也就不大了。如果这样的话，就会导致整个江南士族的失势，所以在保卫国土的问题上，江南的士族们可以团结一致，桓温早年镇守徐州的战功，也可以得到士族上下的赞赏，因为这时候的桓温，是他们的保护者。西征四川虽然意见不一，但这也不是原则问题，毕竟四川的获得，可以增强东晋的防御，也是符合东晋江南士族利益的，唯独北伐不行。北伐意味着破坏整个江南士族的利益，得益的人，或许只有趁着军功确立地位的桓温。
所以桓温在收复四川后，虽然数次要求北伐，但是都泥牛入海。这时候的桓温已经是“民族英雄”，威望甚高，晋安帝个人的地位，也同样离不开桓温家族的支持。当时东晋主要的军队，是由南逃的北方汉人组成的，他们之所以作战勇敢，主要原因就是为了有一天可以打回家乡，如果不摆出一点北伐的姿态，军队的情绪是很难安抚的。所以桓温的面子还是要给的，最后晋安帝折中了一下，同意了桓温要求北伐的主张，但是在人选上，却选择了外戚殷浩。如意算盘打得很好，如果打赢了，那是殷浩的功劳，正好可以用殷浩来压制桓温，如果打输了，只要能把大部分主力部队带回来，也能对上下有个交代。这个殷浩，半点能力没有，不但打了败仗，还差点全军覆没。战败的消息传来后，全国上下群情激奋，特别是士族中的“北伐派”，纷纷强烈要求启用桓温北伐。就这样，原本晋安帝不想用的桓温，成了必须要用了。
公元354年，桓温发动了他人生里第一次北伐，这次他的打击目标，是当时盘踞关中平原的氐族人苻坚建立的前秦政权。当时的北方，原本强大的后赵政权已经灭亡，苻坚的前秦，成为中原各政权里最强的一个，这时候正在开疆拓土，意图统一北方。桓温从江陵出发，水陆齐攻，比起征讨四川的疯狂，这次他深知自己的对手很强大，所以采取了持重的办法，分两路进兵，徐徐推进。此外，他还命令梁州刺史司马勋北出子午小道。从战略上说，他这个战术很稳妥，可以说把所有的困难都考虑到了，既有陆路进攻，也有水上包抄，更有奇兵袭击，而北伐的进程，也出乎意料的顺利。当时的北方汉族百姓，对晋朝政权依然是有感情的，闻听东晋大军到来，百姓纷纷主动迎接，桓温兵不血刃地从河南进入关中，前秦军队望风而逃，一路竟然连像样的抵抗都没有。不过麻烦也从此开始了，这不是桓温仅带3天干粮就能收复四川的时候了，要想收复广阔的中原，仅仅有士气和群众基础是不够的，更需要稳定的物资补给。这个时候东晋主政的大臣，是擅长“清谈”的王衍，最擅长夸夸其谈，没有一点行政能力，眼看桓温节节胜利，一直反对北伐的他暗中使坏，对桓温所需要的物资百般拖延，结果桓温进入关中后没多久就断粮了。他对面的苻坚，也是一个很有经验的名将，本来桓温打算一旦没有粮食，就抢割关中平原的麦子，谁知到了才发现，关中平原的麦子早被苻坚撤退前收割光了，桓温没有办法，但还是不甘心，驻扎在灞水休整。这时候他有两个选择，一是回军，二是决死一搏，背水一战，全力攻打长安，就像他当年打下四川一样。但这次把握比上次小得多，前秦的军事实力远远比成汉要强，而且当年的他只是个新人，可以豁出去，如今他已经声名鹊起，不是轻易能豁出去了。如果就此退兵，自然也不甘心，所以桓温采取了一种折中的办法，在灞水驻军，一面招募当地名士，收买人心，一面等待机会。他这种做法，连当时来访的华阴名士王猛都误会了，王猛的到来让桓温很高兴，他向王猛求教，王猛却嘲笑他说，你驻扎在灞水，不进也不退，谁知道你想干什么?后人常常拿此事指责桓温，说桓温是私心作祟，故意退缩不前，但事实是，桓温的物资供应，在当时已经断了，这样凶险的局面下，只要有一线的生机，谁都不会贸然赌博，毕竟要为几万北伐军负责。最后，面对前秦的坚壁清野，桓温只好无奈地回军。这次北伐总的来说，是劳而无功。
