兵败身死
及后何无忌击败桓玄所派何澹之等军，攻陷湓口，进占寻阳，然后与刘毅等一直西进。桓玄亦自江陵率军迎击，两军于五月十七日在峥嵘洲相遇，当时桓玄军虽然有兵力优势，但因桓玄经常在船侧泛舟，预演败走时的动作，于是士众毫无斗志，在刘毅的进攻下溃败，焚毁辎重乘夜逃走，郭铨遂向刘毅投降。桓玄于是挟晋安帝继续西走，抛下晋穆帝皇后何法倪及安帝皇后王神爱于巴陵。殷仲文当时以收集散卒为名移驻别船，并趁机背叛桓玄，迎二后回建康。
桓玄于五月二十三日回到老巢江陵，冯该劝桓玄再战，但桓玄不肯，更想投奔梁州刺史桓希。不过当时人心已离，桓玄的命令都没有人遵行了。次日，江陵城中大乱，桓玄与心腹数百人出发，到城门时随行有人欲暗杀桓玄，但不中，于是彼此厮杀，桓玄勉强登船，身边人员因乱分散，只有卞范之跟随在侧。桓玄正打算到梁州治所汉中时，但屯骑校尉毛修之诱使桓玄入蜀，桓玄听从。而当时正值宁州刺史毛璠去世，益州刺史毛璩派了侄孙毛祐之及参军费恬等领数百人送毛璠丧至江陵，并于五月二十六日在江陵城西的枚回洲与桓玄相遇，二人于是进攻桓玄，箭矢如雨，桓玄宠信的丁仙期、万盖等为桓玄挡箭而死，益州督护冯迁跳上桓玄坐船，抽刀向前，桓玄拔下头上玉饰递给冯迁，说：“你是什么人，竟敢杀天子？”冯迁说：“我这只是在杀天子之叛贼而已！”桓玄遂被杀，享年三十六岁。桓玄死后，堂弟桓谦在沮中为桓玄举哀，上谥号为武悼皇帝。桓玄头颅则被传至建康，挂在大桁上，百姓看见后都十分欣喜。
主要功绩
失政丧国
桓玄上台后，面临东晋末年的种种乱象，也很想振作，大力整顿，但桓玄的政权代表门阀士族，不可能触动他们自己的既得利益，所以最后没能实行。他即位以后，好行小惠以笼络人心，例如他亲自审讯囚犯时，不管罪刑轻重，多予释放；拦御驾喊冤者，通常也可以得到救济；然而他为政繁琐苛刻，又喜欢炫耀自己，官员有将诏书中“春蒐”字误缮为“春菟”，经办人员即全被降级或免职。而桓玄又好游玩打猎、兴筑宫殿，因此人心思变。桓玄在位仅数月时间，桓楚王朝便宣告覆灭了。
