由于朝廷削藩激化矛盾，藩镇与朝廷开始决裂，此时实力最强的燕王就成了真正的诸王之首。而皇帝与朱棣之间的博弈亦逐渐走向明处，变得更加激烈。

洪武三十一年十二月，为了提防燕王谋反，朱允炆派工部侍郎张昺为北平布政使，都指挥使谢贵、张信为北平都指挥使。随后又命都督宋忠屯兵驻开平，并调走北平原属燕王管辖的军队。

燕王朱棣见到几位亲王先后被削藩，明白如此下去必无法逃过此劫，遂一边争取时间一边做战争准备。为了争取时间，建文元年，朱棣先装病，使惠帝放三子回北平；之后由于属下被朝廷处死，遂装疯。但由于王府长史葛诚叛变，密奏朝廷“燕王装病”。朱棣装疯被发觉。

时燕王遣使入京师金陵奏事，使者被齐泰等审讯，被迫供出燕王的异状，于是朝廷下密旨，令张昺、谢贵逮捕燕王府的官属，张信逮捕燕王本人。但张信与其母亲讨论之后，将此事告知朱棣。于是朱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府中潜伏，以待变故。

张昺、谢贵得到朱允炆密诏后，七月初四带兵包围了燕王府。朱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，朱棣攻下北平九门，遂控制北平城。

燕王朱棣起兵造反，援引《皇明祖训》，号称清君侧，指国君身边的齐泰和黄子澄为奸臣（谋害皇室亲族），需要铲除，称自己的举动是，为国“靖难”（意为“平定国难”），并上书于惠帝朱允炆。

燕军控制北平后，七月初六，通州主动归附；七月初八，攻破蓟州，遵化、密云归附；七月十一，攻破居庸关；七月十六，攻破怀来，擒杀宋忠等；七月十八，永平府（今河北卢龙县，属秦皇岛市）归附。七月二十七，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，七月二十四日，谷王朱橞逃离封地宣府（今属张家口，距北京约150公里，距怀来约60公里），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。

扬州失陷，金陵震动。朱允炆惊慌不已，与方孝孺商议后，先后定下如下几个救急方法：下罪己诏；号召天下勤王；派练子宁、黄观、王叔英等外出募兵；召回被贬黜的齐泰、黄子澄；遣人许以割地求和，拖延时间。方孝孺的几个办法中，只有两个起到了效果：齐黄被召回（外出募兵，未进京），苏州、宁波、徽州等地知府先后率兵进京师。

五月廿二，朱允炆遣庆成郡主（朱元璋的侄女、朱棣的堂姐）与朱棣谈判，表示愿意割地。朱棣说“此奸臣欲姑缓我，以俟远方之兵耳。”郡主无言以对，遂返。

六月初一，燕军准备从浦子口渡江，但遇到了盛庸最后的抵抗。燕军战不利，朱棣打算议和北还。此时朱高煦引兵来援，朱棣非常高兴，说“努力罢！世子常常生病啊。”暗示朱高煦有机会取得储君宝座，于是朱高煦大受鼓舞，率众殊死战，击败盛庸。随后南军的一支水军部队降燕，燕军遂于六月初三自瓜洲渡江，并再次击败退守此地的盛庸。六月初六，燕军至镇江，守将率城投降。

六月初八，燕军驻扎于龙潭（距京师金陵东约30公里），朝廷大震。朱允炆徘徊殿间，召方孝孺问计。有人提议逃往内地以图兴复，方孝孺表示城中尚有二十万兵，应坚守待援；即使真战败，国君为社稷而死，是理所应当的。可以再派大臣、在京诸王前往谈判以拖延时间。于是六月初九，派李景隆、茹瑺等见朱棣，再次谈判；朱棣表示割地无名，只要奸臣。六月初十，遣谷王朱橞（建文元年逃回京城）、安王朱楹等第三次前往谈判，无果。

六月十二，外出募兵的大臣们仍未返回，朱允炆只得派在京诸王和武臣们守卫各门。时左都督徐增寿（徐达子，辉祖弟）谋内应，被一群文官围殴。次日（1402年7月13日），燕军抵金陵。徐增寿作内应，事败，被朱允炆亲自诛杀于左顺门。守卫金川门（位于南京城西北面）的朱橞和李景隆望见朱棣麾盖，开门迎降。

燕军攻入金陵，江山易主。靖难之役结束。

燕军进南京，朱允炆见事不可为，遂在皇宫放火。马皇后死于大火，朱允炆本人不知所终；此后其下落成为谜团。

朱棣入城，派人找出马皇后的尸体，指认其为朱允炆，并执其手哭“傻小子，何苦如此”，随后六月廿日以天子礼葬之，造成惠帝已死的假象。

南京陷落后，朱棣入城。翰林院编修杨荣迎于马首，说：“殿下先谒陵乎？先即位乎？”点醒朱棣。次日（建文四年六月十四）起，诸王及文武群臣多次上表劝进，朱棣不允。数日后（六月十七），朱棣谒孝陵，并于当日即皇帝位，是为明太宗（后改为成祖）。重建奉天殿（旧殿被朱允炆所焚），刻玉玺。同年十一月十三日，封王妃徐氏为皇后。

朱棣不承认建文年号，七月初一（一说六月十八），将建文元、二、三、四年改为洪武三十二至三十五年，次年改为永乐元年。凡建文年间贬斥的官员，一律恢复职务（如靖难初期因离间被贬的江阴侯吴高被再次起用，守大同）；建文年间的各项改革一律取消；建文年间制定的各项法律规定，凡与太祖相悖的，一律废除。但一些有利于民生的规定也被废除，如建文二年下令减轻洪武年间浙西一带的极重的田赋，至此又变重。但是由于浙西、苏南一带，土地富饶。在洪武年间的税负，在已经摆脱战争阴影的江南仍然可以被百姓接受，而又不会使地主有过多的余粮，导致粮价不稳，影响正常的经济复苏，所以朱棣恢复了洪武年间的税负，也没有发生什么民怨的情况。

朱棣在靖难之役结束后，向金陵军民发布公告：“谕知在京军民：我本欲永远守卫我的藩封，却因奸臣弄权，作威作福，导致皇家骨肉被其残害，不得不起兵诛杀之，目的是扶持社稷和保全亲藩。平定京师，有罪的奸臣不敢赦免，无罪者也不敢滥杀；如有小人借机报复，擅自绑缚、放纵、掠夺等而祸及无辜，非我本意。”

建文四年六月廿五，朱棣诛杀齐泰、黄子澄、方孝孺，灭其族。其中方孝孺一说被诛十族（九族加朋友门生），因方孝孺而被受牵连而死者共873人，充军等罪者千余人。因黄子澄受牵连的有345人。景清降后密谋行刺，事败，八月十二被杀，灭九族；后屠其家乡，谓“瓜蔓抄”。

此外，众多建文旧臣如卓敬、暴昭、练子宁、毛泰、郭任、卢植、戴德彝、王敬止、王叔英、谢升、丁志方、甘霖、董镛、陈继之、韩永、叶福、刘端、黄观、侯泰、茅大芳、陈迪、铁铉等等也都处决或自尽，史称：“忠愤激发，视刀锯鼎镬甘之若饴，百世而下，凛凛犹有生气。”他们的家属和亲人也被牵连，死者甚众。被流放、逼作妓女及被其它方式惩罚的人也不少。明仁宗即位后，大部份人始获赦免，而余下的人的后代却迟至明神宗时始获赦免。建文逊位，朝野为之尽忠死节者甚众，不及备载。

在大肆诛杀之外，当月，朱棣将魏国公徐辉祖禁锢，后释放并削其爵位。辉祖死后，其子嗣魏国公爵。黄观被朱棣所嫉恨，其状元的身份被革去，故明代保持连中三元，受记录的只有商辂一人。盛庸、平安（灵壁之战降）、何福、驸马梅殷等先后投降。

靖难之役，文武众臣出力甚多，朱棣称帝后先后进行了封赏。京城陷落后，六月十九，追封徐增寿为武阳侯，谥忠湣，后进为定国公，世袭。靖难将士各有封赏。

九月初四，论功行赏，大封众将。