燕王棣遣使入京师金陵奏事，使者被齐泰等审讯，被迫供出燕王棣的异状，于是朝廷下密旨，令张昺、谢贵逮捕燕王府的官属，张信逮捕燕王棣。但张信与其母亲讨论之后，将此事告知燕王 。于是燕王棣和姚广孝等进行举兵的谋划，令张玉、朱能将八百勇士带入燕王府中潜伏，以待变故。 张昺、谢贵得到建文帝密诏后，带兵包围了燕王府。燕王棣假意将官属全部捆缚，请二人进府查验。二人进府后，朱棣派出府内死士将其擒获，并连同府内叛变的葛诚、卢振一同处决。当日夜里，燕王棣攻下北平九门，遂控制北平城。
燕军控制北平后，依次通州主动归附；攻破蓟州，遵化、密云归附；攻破居庸关；攻破怀来，擒杀宋忠等；永平府归附。为防止大宁军队从松亭关偷袭北平，用反间计使松亭关内讧，守将卜万下狱。至此，北平周围全部扫清。燕军兵力增至数万 。
燕军攻破怀来后，由于领地相距太近，谷王橞逃离封地宣府奔金陵。
八月，齐泰等顾虑辽王、宁王帮助燕王，建议召还京师；辽王从海路返京，而宁王不从，遂削宁王护卫。宋忠失败后，部将陈质退守大同。代王本欲起兵呼应朱棣，被陈质所控制，未果。
建文元年七月，燕王棣反书至南京，建文帝祭告太庙，削燕王棣宗室属籍，废为庶人。决定起兵讨燕。在真定设置平燕布政司。
燕王棣初起兵时，燕军只据北平一隅之地，势小力弱，朝廷则在各方面都占压倒性优势。所以战争初期，朝廷拟以优势兵力，分进合击，将燕军围歼于北平。燕王棣采取内线作战，以部将郭资戍守北平，迅速即攻取了北平以北的居庸关、怀来、密云和以东的蓟州、遵化、永平等州县，扫平了北平的外围，排除了后顾之忧，便于从容对付朝廷的问罪之师。经过先帝大肆杀戮功臣宿将之后，朝廷也无将可用，建文帝只好起用年近古稀的幸存老将长兴侯耿炳文为大将军，驸马都尉李坚为左副将军，都督宁忠为右副将军，率军十三万伐燕，数路并进，号称百万大军，同时传檄山东、河南、山西三省供给军饷。
耿炳文率军在八月十二到达真定，并分兵于河间、鄚州、雄县，为犄角之势。在经过观察后，八月十五日，燕军趁中秋夜敌军不备，偷袭雄县；成功后又利用伏击击败了鄚州的援兵，遂攻克鄚州，收编剩余的部队。
耿炳文部将张保来降，告知燕王棣耿炳文的部队分驻滹沱河两岸，于是燕王让他回去告诉耿炳文“雄县、鄚州大败，燕兵将至”，以打击其士气，并使耿炳文合兵一处，便于一举击溃。耿炳文果然将南岸的兵调过河。
八月二十四日，燕军到达无极县。从樵夫和南军被俘士兵处得知敌情，于是燕军发动决战。
建文元年八月，南军师至河北滹沱河地区。燕王在中秋夜乘南军饮酒作乐之机，突破雄县，尽克南军的先头部队。继而又于滹沱河北岸大败南军的主力部队。耿炳文率残部不到十万人在真定坚守不出，燕军攻城三天不克。
八月二十九日，燕军返回北平。顾成降燕之后，留在北平协助燕世子朱高炽守城。
建文帝听到耿炳文军败，根据黄子澄的推荐，任曹国公李文忠之子李景隆为大将军，代替耿炳文对燕军作战。又令辽东江阴侯吴高等领兵围攻永平。燕王棣留下少量兵将坚守北平，自已亲统大军救援永平。
李景隆本是纨绔子弟，素不知兵，“寡谋而骄，色厉而馁”。
建文元年九月，李景隆至山东德州，收集耿炳文的溃散兵将，并调各路军马，共计五十万，进抵河间驻扎。当燕王棣侦知李景隆军中的部署后，笑着说，“兵法有五败，李景隆全犯了，其兵必败无疑”。这就是政令不修，上下离心；兵将不适北平霜雪气候，粮草不足；不计险易，深入趋利；求胜心切，刚愎自用，但智信不足，仁勇俱无；所部尽是乌合之众，且不团结。为了引诱南军深入，燕王棣决计姚广孝协助世子朱高炽留守北平，自已亲率大军去援救被辽东军进攻的永平，并告诫朱高炽说：“李景隆来，只宜坚守，不能出战。”燕王还撤去了卢沟桥的守兵。
燕王棣这一招果然灵验，李景隆听说燕王棣率军赴援永平，就率师于建文元年十月直趋北平城下。经过卢沟桥时见无守兵，禁不住欢喜，说：“不守此桥，我看燕王是无能为力了。”这时朱高炽在北平城内严密部署，拼死守卫。李景隆则号令不严，指挥失当，几次攻城，皆被击退。南军都督瞿能曾率千余精骑，杀入张掖门，但后援不至，只好停止进攻。又因李景隆贪功，要瞿能等待大部队一起进攻，错过了时机。燕军则因此得到喘息，连夜往城墙上泼水，天冷结冰，待到次日，南军也无法攀城进攻了。吴高怯懦，不敢应战，退保山海关。燕王棣解救永平之后，率师直趋大宁。
建文元年九月初一，江阴侯吴高率辽东兵攻打永平郡，故燕王棣趁李景隆踌躇不决之际，九月十九日前往救援。
九月二十五日，燕王棣击败吴高，并决定趁势偷袭十七弟宁王权的藩地大宁；另一方面利而诱之，将南军引至“空城”北平下。
九月二十八日，燕王棣率众出师。传信给燕世子朱高炽，令其坚守北平城。
十月初六日，燕军经小路到达大宁城下。燕王棣单骑入城，见宁王权，哭诉自已无路可走，向宁王权求救，希望能向朝廷上书，谢罪免死。宁王权相信并收留了他。在居大宁期间，燕王棣令手下吏士入城结交并贿赂大宁的军官等。
十月十三日，燕王棣提出告辞，宁王权在郊外送行；但宁王来到郊外后，伏兵尽起，大宁军纷纷叛变，归附燕王。于是宁王与宁王妃、宁王世子等一同随燕王棣前往北平，而大宁的全部军队都被燕王收编。大宁成为空城，燕王棣实力大增。
听说燕王棣率精锐征大宁，李景隆引军攻北平。南军在郑村坝扎营，筑垒同攻北平九门。燕王世子朱高炽坚守。朱高炽遣人夜间偷袭南军大营，获得了一定的喘息时间；南军攻城急时，城中妇女也上城头向下投掷瓦石。南军唯一一次获胜的机会是都督瞿能攻张掖门，几乎要攻下时，因被李景隆所忌，只得停止。功败垂成。农历十月，北平甚是寒冷，于是燕军守城部队夜里汲水浇于城墙上，次日城墙结冰，南军无法攀登。南军因天寒地冻，战斗力骤降，攻势自此受阻。
建文元年十月十九日，燕军在会州整编，分立五军（中、前、左、右、后）。
十月二十一日，燕军入松亭关。
十一月初五日，燕军渡白河，并打败李景隆的哨探陈晖部队万余人。当天，与李景隆大军在郑村坝会战。燕军左右冲击，连破南军七营，李景隆大败。当夜，李景隆见战事不利，令郑村坝所有军队轻装撤退。数十万人的辎重全部留给了燕军。但李景隆走得匆忙，没有通知围攻北平城的南军军队，于是燕军轻易击溃北平城下的南军，获得其物资。李景隆率军撤回德州，郑村坝之战结束。此战南军丧师十余万人。
建文元年十一月初九日，燕王棣回到北平城，因为之前上书没有回信，再次上书朝廷，陈述齐泰、黄子澄构陷宗藩的罪过。建文帝没有回应。
十二月，朱棣用反间计令辽东守将吴高被削爵贬黜，消除东北方向的后顾之忧。由于李景隆准备等来年开春再北上攻燕，燕王棣决定攻打山西大同，以使南军疲于奔命。
十二月十九日，燕王棣出师攻大同。
十二月二十四日，燕军抵达广昌，守将杨宗投降。
建文二年正月初一，燕军抵达蔚州，明军守将王忠、李远投降燕军。
二月初二日，燕军攻打大同。由于大同是代王的封地且军事地位极重要，李景隆不得不救援。待李景隆走出紫荆关后，燕军从居庸关返回北平。南军在冰天雪地中白跑一趟，兵力、装备大量损失，士气受到重创。
建文二年二月二十八日，李景隆给燕王棣写信，请求暂时停战。燕王回信索要齐泰、黄子澄等。除了使南军白跑了一个月外，燕军在本次伐大同时意外遇到了从蒙古来降的军队，收编之。 此外，保定府于建文二年二月降燕。
建文二年四月，李景隆从山东德州，郭英、吴杰等从真定誓师北伐燕军，目标是白沟河。兵力增至六十万，燕军亦出。
四月二十日，燕军渡过玉马河，驻于苏家桥。
四月二十四日，燕军与南军会战。
南军先锋平安之前曾跟随燕王棣出塞，熟悉燕王战法，设伏兵。燕军到达之后，平安伏兵起，挺矛冲锋；瞿能父子也一同合击，燕军战斗失利。当时南军郭英部也来到战场，郭英在燕军撤退的必经之路上埋地雷，燕军撤退时损失惨重。燕王棣亲自率军垫后，但夜间迷失了道路。燕王下马趴在地上辨别河流的方向，才分清方向，回到大营。令军士提前用餐，准备次日决战。次日，燕军与南军再次合战。瞿能、平安绕至燕军后方，攻其后军得手。燕王棣见状不好，亲冒矢石，令丘福冲击李景隆中军，不成功；燕王率军攻打，双方混战，飞矢如雨。燕王棣先后换了三匹马，射光了三筒箭，宝剑也砍断，差点被平安、瞿能所伤。无奈之下来到河堤上，举起马鞭，假装招呼援兵，李景隆见状果然生疑，攻势减缓；朱高煦此时也来援救，战事暂时缓和。
不久，瞿能再次引众搏战，大呼“灭燕”，形势再次对燕军不利。就在战事危急时，一股旋风刮起，刮断了李景隆的帅旗，南军顿时大乱。燕王棣抓住机会，绕到李景隆后方放火。南军大败，瞿能父子被朱高煦阵斩。郭英等向西撤退，李景隆向南撤退，辎重全部扔下，投降十万余人。李景隆撤回德州。
四月二十七日，燕军进攻德州。
五月初七，李景隆逃往济南。
初九，燕军进入德州，获得大量粮食储备。
五月十五，燕军攻济南，李景隆残存十余万兵毫无战斗力，大败。李景隆逃走。燕军遂围济南。
十月，朝廷召李景隆回南京。李景隆把六十万大军丢得一干二净，黄子澄、练子宁、叶希贤等上书，请求立斩之，建文帝不听。对于推荐了李景隆，黄子澄感到十分后悔。
李景隆在几个月的时间内一败再败，建文帝撤免了他的大将军职务，建文帝采黄子澄之谋，遣使议和以求缓攻，又任命盛庸为平燕将军，代李景隆统兵。盛庸屯兵德州，以遏燕军南下。李景隆败退后，燕军围济南。右参政铁铉、盛庸坚守。燕王棣射信入城招降，未果。
建文二年五月十七日，燕军掘开河堤，放水灌城。铁铉见势不妙，决定派千人诈降，诱燕王棣进城。次日，燕王前往济南，走到城门口时，城门预设的铁板落下，但略快了些，只打中了其所乘马的头。燕王棣大惊，换马跑回。由于事出意外，断其后路等工作没能成功。燕王棣逃回，大怒，围城攻打三个月。
由于济南的军事地位极重要，若取得济南，进可南下攻打，退可画疆自守，故燕军乘新胜之锐气，志在必得。不料攻城不利，燕王棣愤怒之下决定使用大炮攻城，城中不支。铁铉见状，在一些木牌上写了“高皇帝神牌”几个字并挂在城头，燕军只得停止炮击。
六月，建文帝见济南危急，遣使求和。燕王棣不听。
七月，平安进军河间，扰乱燕军粮道。燕王棣进退不得。
八月十六，燕王棣撤兵回北平。盛庸、铁铉追击，大败燕军，收复德州，济南之战结束。
九月初十，建文帝升铁铉为山东布政使，参赞军务，不久后升兵部尚书；封盛庸为历城侯，平燕将军，撤换李景隆。都督陈晖、平安为副职。南军重新进到德州、定州、沧州。
