桓温北伐，是东晋时期将领桓温分别于354年、356年及369年发动北伐北方十六国的战役。但除了第二次北伐成功收复洛阳，其余两次皆被击退，成效不大。
第一次北伐
永和五年（349年），后赵皇帝石虎去世，其后诸子争位，后赵国内混乱。其时东晋朝中就已经准备北伐，并由征北大将军褚裒主持北伐，但以失败告终。而桓温在当时亦随即移屯安陆，屡次上表请求北伐，但因其平灭成汉后威望太高，朝廷不愿桓温北伐成功而令其威名更盛，于是在褚裒北伐以后提拔殷浩继续准备北伐，对桓温的上请不作回应。
同时，北方氐人苻健于永和六年（350年）入关，并于次年建立前秦，至永和八年（352年）更加称帝。前秦建国后多次与东晋作战。及至永和九年（353年）殷浩发动北伐，目标是前秦控制的洛阳，正是试图利诱前秦将领梁安及雷弱儿叛秦造成关中混乱，藉前秦驻洛阳军力入援关中之机进取洛阳。
然而，殷浩北伐失败，桓温于是借当时朝野对殷浩北伐的不满逼朝廷废掉殷浩，令桓温独大。
过程
永和十年二月己丑日（354年3月21日），桓温自江陵率四万步骑北伐，取道武关入关，又命水军自襄阳进至南乡郡；同时梁州刺史司马勋亦经子午道北伐前秦。桓温先派别军进攻上洛，俘获前秦荆州刺史郭敬，于是进击青泥城。前凉秦州刺史王擢见司马勋攻略前秦西部，于是进攻陈仓以作响应。
前秦皇帝苻健面对桓温大军北伐，派遣太子苻苌、丞相苻雄等人率兵五万驻屯峣柳以作抵抗。四月己亥日（5月30日），桓温在蓝田县与苻苌等军大战，虽然苻生单骑突陈杀伤不少晋兵，但晋兵在桓温的统率下仍大败秦兵；同时桓冲又在白鹿原击败苻雄军。桓温在大败前秦军队后就继续向长安进发，进据灞上。当时苻苌等军退屯城南，苻健于是尽发精兵三万人，在大司马雷弱儿等人率领下与苻苌会合，只留六千老弱士兵留守长安小城。
当时前秦首都长安危急，三辅各郡县都来向桓温归降，桓温安抚并让居民恢复原来生活。当时居民又争相以牛酒劳军，又夹道观看前来的军队，老人更流着泪说：“不图今日复睹官军。”面对这个形势，顺阳太守薛珍劝桓温直逼长安，但桓温不听从，驻屯灞上后就没有进渡灞水，一直与前秦军相持，并打算收割当地的麦子作军粮以继续对峙。
但苻雄先率七千骑进袭司马勋，并在子午谷击败他。后又与诸军在白鹿原与桓温大战，杀晋兵万余人。前秦军更抢先一步收割麦子，而且实行坚壁清野，令桓温陷入缺粮困境。在战事不利和缺粮之下，桓温唯有在六月丁丑日（7月7日）迁关中三千多户人南归。苻苌见桓温退兵，更领兵追击，攻至潼关时已屡败晋军，伤亡数以万计。当时薛珍以桓温被逼退兵，当众称许自己之勇而指责桓温太慎重，于是被桓温所杀。
另一方面，进攻陈仓的司马勋和王擢虽攻破陈仓，但亦被苻雄所败，司马勋退回汉中而王擢回略阳。北伐至此结束。
第二次北伐
永和七年（351年），后赵灭亡，后赵将领姚弋仲降晋，其子姚襄亦随父归降，皆获东晋遥封官职及爵位。次年姚弋仲死，姚襄依从父亲遗命南奔东晋，驻屯谯城。永和八年（352年），姚襄在谢尚兵败后退屯历阳，并大行屯田及训练将士。然而因为殷浩忌惮姚襄，竟多次派刺客刺杀他，又派魏憬意图偷袭他，最终令姚襄决心叛晋。永和九年（353年），姚襄就于殷浩北伐期间临阵叛晋，倒戈攻击殷浩，不但令殷浩北伐失败，更盘据淮河一带，在盱眙建立根据地。
永和十年（354年），江西流民郭敞等人在东晋侨置陈留郡的堂邑叛乱，捕掳陈留太守刘仕向姚襄归降。因着临近东晋赖以自守的长江天险，于是令东晋朝廷十分震惊，立刻加强对京师建康的防守。然而，姚襄没有南进，反倒北归，于是转据许昌。
原本降晋的周成又于永和十年叛晋，进据洛阳。姚襄据许昌后就于永和十二年（356年）起兵进攻洛阳。
另一方面，完成第一次北伐而回荆州的桓温多次上表请求迁都洛阳，修复在洛阳的皇家园陵，但都未获批准。随后又升桓温为征讨大都督，督司、冀二州诸军事，专委讨伐姚襄之任。而因此就促成桓温发动第二次北伐。
经过
桓温于永和十二年在江陵起兵，先遣督护高武据鲁阳，辅国将军戴施驻屯黄河上，以水军进逼许昌和洛阳，更请徐、豫二州派兵经淮泗入黄河协助北伐。桓温自己则从后领兵作众人继援。
八月己亥日，桓温到达洛阳城南的伊水，久围洛阳不破的姚襄于是撤去围城军，转而抵抗桓温，并在伊水水北的树林中埋伏精兵，试图诱使桓温率兵后退，在其后退时派伏兵突击。然而桓温拒绝姚襄后退的请求，姚襄意图依伊水而战，而桓温则结阵向前进攻，更亲身披甲督战，于是大败姚襄，姚襄逃到洛阳北山，及后更与余众西奔并州，桓温未能追及。
随后，周成以洛阳向桓温投降。桓温及后留兵戍守洛阳，并且置陵令，修复各个皇陵后就押着周成及带着三千多家归降的平民南归。第二次北伐至此结束。