寿永2年（1183年）2月，源赖朝击败了敌对的志田义广，义广投奔侄儿义仲，被收留。而义仲在1181年曾收留叛逃赖朝的源行家，这使义仲与赖朝之间的关系更加恶化。而根据《平家物语》、《源平盛衰记》的说法，武田信光曾将女儿嫁给义仲的嫡子清水冠者义高，但后来因为信浓国支配权的问题与义仲发生冲突，信光向源赖朝进谗，声称义仲联合平家欲灭赖朝。为了避免同赖朝冲突，义仲与赖朝达成和议，并将嫡子义高送往镰仓作为人质。

5月11日，木曾义仲在越中国砺波山的俱利伽罗峠之战大破由平维盛率领的10万平家大军。此后在筱原之战再败平家，沿途纠集武士，以破竹之势直逼京都。6月10日进入越前，13日进入近江国，6月末同京都最后的关门延历寺进行交涉。其谍文内容含有威胁恫吓之意，由右笔大夫觉明执笔。7月22日义仲在东塔的惣持院建立城郭。源行家则从伊贺方面进攻，安田义定等其他源氏武将迫近京都，而平家方面摄津的多田行纲则怀有二心。25日，平家决定放弃京都，挟持安德天皇和守贞亲王逃往西国。平家试图劫持后白河法皇一起出逃，但法皇事先察觉了此事，秘密前往比睿山避难。近江源氏的山本义经派遣儿子锦部冠者义高保护其安全。

7月27日，后白河法皇与义仲同心反对平家，与锦部义高一起返回京都。《平家物语》感叹道，“二十余年未见的源氏白旗，今日第一次进入了京都。”翌日义仲入京，与源行家一起在莲华王院参见法皇，接受了讨伐平家的命令。2人并肩不分前后参谒法皇，争夺参谒的序列。30日召开公卿议定会议，认定功勋第一的为源赖朝，第二木曾义仲，第三源行家，并依此授予位阶。（《玉叶》7月30日条）。同时义仲被委以收拾平家撤离京城后治安混乱状态的重任。义仲将入京的同盟军武将分配到周边地区，自己则负责中心地区九重（左京）的守护工作。（《吉记》7月30日条）

8月10日劝赏除目仪式举行，义仲被授予从五位下、左马头领越后守的官位；行家被授予从五位下备后守的官位（《百錬抄》同日条、《玉叶》8月11日条）。16日义仲迁任伊予守，行家迁任备前守。《平家物语》记载，义仲在此期间得到了朝日将军的称号。义仲和行家互相讨厌，义仲不愿要越后，改授伊予；行家不愿要备后，改授备前。

后白河法皇要求逃亡西国的平家送天皇和三神器还京，但交涉无果而终（《玉叶》8月12日条）。因此法皇决定从留在京都的高仓上皇的二位皇子惟明亲王和尊成亲王中选出一人为新的天皇。但义仲自恃驱逐平家有功，力荐由北陆宫即位。而比睿山的俊尧僧正认为以仁王是天皇派系的正统血统，执意要求朝廷立北陆宫为天皇。然而九条兼实支持让高仓上皇的皇子即位，法皇亦对武士介入皇位继承问题而感到不快。为了压制义仲的势力，8月20日尊成亲王被立为帝，是为后鸟羽天皇。尊成亲王之所以超越兄长惟明亲王，是由于法皇的宠妃丹后局支持的缘故。（《玉叶》8月18日条）

推举北陆宫事件，使重视传统和格式化的法皇和公卿们发现木曾义仲是个粗野的人物，对宫中的政治、文化、历史知识的一窍不通以及没有教养。与平家一门和童年在京都长大的源赖朝相比，义仲在山村里长大，对上层社会根本就没有接触的机会。

义仲恢复京都的企图失败。连年的饥荒使粮食的事情极度恶化。同时由于远征军的疲惫缺乏供给，在京都附近地区胡作非为。源氏的武士随意烧杀抢劫和追捕百姓，强行割取百姓的稻谷，甚至连神社下属的庄园都不放过。后来公卿也成为了受害者。（《玉叶》9月3日条）事实上京中守护军并不是义仲的部下，而是由源行家和安田义定、近江源氏、美浓源氏和摄津源氏组成的杂牌军，义仲没法管理他们。

《平家物语》记载，法皇下达了禁止掠夺的命令。但义仲却称军中不能没有粮食，与法皇发生冲突。《平家物语》称义仲在此时同法皇决裂，导致了法住寺合战的发生。

19日，忍无可忍的后白河法皇责骂了义仲，声称“天下不静，又平氏放逸，每事不便也。”（《玉叶》9月21日条）。自知立场恶化的义仲奏请率军追讨平氏，法皇亲自授予了他出阵的宝剑。义仲试图以战功来恢复自己失去的信用并确保兵粮的充足。义仲将心腹樋口兼光留在京都，自己则率军下播磨国。

在义仲征讨平家的同时，源赖朝的申书送达了朝廷。其内容是“归还被平家强行霸占的神社佛寺领的本社”、“归还被平家强行霸占的院宫诸家领的本主”、“投降者不施以斩罪”。朝廷大喜，“这一申状，与义仲等人完全不同。”（《玉叶》10月2日条）10月9日，法皇恢复了赖朝原本的官位，14日又下达了所谓的寿永二年十月宣旨，将东海道、东山道诸国的实际支配权授予了赖朝。（《百錬抄》）

得知此事的义仲仍旧在西国苦战。闰10月1日，义仲在水岛之战中为平家所惨败，有力武将矢田义清阵亡。正在战线处于胶着状态时，源赖朝派弟弟为大将军率数万大军上洛的情报传入义仲的耳中（《玉叶》闰10月17日条）。惊恐的义仲立刻停止了对平家的进攻，15日率少数军队返回京都。20日，义仲对于召赖朝上洛一事，向法皇提出强烈的抗议，声称这是他生涯的遗恨。（《玉叶》同日条）义仲要求下达讨伐赖朝的御教书（《玉叶》闰10月21日条），并且起用志田义广为平氏追讨使。

义仲的敌人不再是平氏，而变为了赖朝。19日，义仲会合源氏一族，计划奉戴法皇出征关东（《玉叶》闰10月20日条），26日向兴福寺僧众下达了讨伐赖朝的命令（《玉叶》同日条）。然而前者因源行家、源光长的强烈反对而失败，后者僧众也没有回音。义仲指挥之下的京中守护军已经处于瓦解状态，义仲和行家的不和已经公开显现出来了。（《玉叶》闰10月27日条）

11月4日，源义经军到达布和之关（不破关），义仲下定了同镰仓军决一雌雄的决心。一方面，得到源赖朝军逼近京都的消息，后白河法皇试图将义仲放逐出京都。义仲出示了让义经率少数部众入京的妥协方案（《玉叶》11月16日条），法皇则得到延历寺、园城寺的帮助，召集僧兵、流氓等，在法住寺殿建造栅栏等防御工事。同时法皇将摄津源氏、美浓源氏等拉拢到自己阵营中来，数目远远在义仲兵力之上。

后白河院方面的主力部队源行家，当时已离开京都征讨平家。（《玉叶》11月8日条），法皇认为自己拥有压倒性的优势，向义仲下达了最后通牒。法皇宣称义仲被派往西国征讨平家，但中途返回京都；同时背叛了院宣同源赖朝作战，私自留在京都，可以认定是谋反行为。不给义仲辩解的余地。（《玉叶》11月17日条、《吉记》《百錬抄》11月18日条）。

与此相对地，义仲复书表示完全没有违背君命的意思，公卿九条兼实也对义仲表示支持。（《玉叶》11月18日条）然而法皇不理会义仲的回复，18日召后鸟羽天皇、守觉法亲王、圆惠法亲王和天台座主明云进入御所，决定对义仲进行武力攻击。

11月19日，义仲责怪法皇，攻击法住寺殿。后白河院方面的源光长、源光经父子奋战抵抗，在义仲的决死猛攻面前大败。义仲的部下逮捕了从御所中逃出来的法皇，欢呼声直冲上云霄。（《玉叶》11月22日条）义仲把后白河法皇幽禁在了五条东洞院的摄政邸内。在此次战斗中，明云和圆惠法亲王战死。九条兼实感叹道：“如此高贵的僧人遭到如此的劫难，真是闻所未闻。”（《玉叶》11月22日条）义仲收到天台座主明云的首级之后，十分轻蔑地将它投弃到了河里。（《愚管抄》）20日，义仲把源光长以下百余人的首级悬挂在五条河原示众。（《百錬抄》同日条、《吉记》21日条）

21日，义仲和松殿基房（原关白）结盟，次日任命基房的儿子松殿师家为内大臣兼摄政，建立傀儡政权。《平家物语》称义仲强娶基房的女儿伊子为妻，但事实上基房为了恢复自己的势力，主动将女儿嫁给了义仲。

11月28日，义仲决定将前摄政近卫基通家领的八十余所给予了新摄政师家，并将中纳言藤原朝方以下的43人解除了官职。院御厩别当，兼任左马头，全权掌握军事大权。（《吉记》同日条）10日下达讨伐源赖朝的院宣，形式上成为了官军。（《百錬抄》《吉记》同日条）

寿永3年（1184年）1月6日，镰仓军越过墨俣进入美浓的消息传入义仲耳中，义仲大为惊恐。15日自封为征东大将军。在与平家达成和议之后，试图奉法皇出兵北国；但源范赖、源义经率镰仓军迫近京都，义仲不得不固守京都防备。由于幽禁法皇等一系列暴行，很少人支持义仲，因此在宇治川和濑田之战中惨败。义仲自己则于20日在近江国的粟津（今滋贺县大津市）阵亡，享年31岁。

义仲战死后，嫡子义高在妻子大姬（源赖朝的女儿）的帮助下逃离镰仓，但在半路上被赖朝杀死，义仲的家系断绝。

此外，战国时代的木曾氏自称是木曾义仲的子孙。

祖父：源为义

父亲：源义贤

母亲：小枝御前

养父：中原兼远

兄弟：源仲家

堂兄弟：源义平、源赖朝、源范赖、源义经等

正妻：藤原伊子（冬姬，关白松殿基房之女）

原配：葵御前?（中原兼远之女）

妾室：巴御前、山吹御前、沼田家国之女等

嫡子：木曾义高

次子：木曾义重（仁科氏之祖）

三子：木曾义基(信浓木曾氏之祖？)

四子：木曾义宗（木曾基宗）

木曾四天王：今井兼平、樋口兼光、根井行亲、楯亲忠

平清盛、平宗盛（及伊势平氏一族）

后白河法皇（即后白河天皇及其院政党羽）

源赖朝（及其弟源范赖、源义经等镰仓武士）