带着五十万大军包围北平，架起云梯攻打张掖门。当时朱棣正在永平（今卢龙）作战，守城主将是他的长子朱高炽。这位后来的洪熙帝身有残疾，走路一瘸一拐，却极有韧性。他让人在城墙上泼水，寒冬腊月里，城墙瞬间冻成冰壳，敌军爬上去就打滑。有天夜里，朱高炽选了三百勇士缒（zhui，用绳子拴住人或物从上往下送）城而下，摸到南军大营放了把火，李景隆吓得从床上跳起来，光着脚跑出中军帐，连靴子都跑丢了一只。
第二年春天，朱棣回师北平，在白沟河与李景隆展开决战。南军的火器营很厉害，火箭像蝗虫一样飞来，燕军的战马吓得连连后退。朱棣亲率精骑冲击，坐骑却被流矢射中，换了三次马，头盔都被砍掉了一角。危急关头，他次子朱高煦带着数千骑兵杀到，这人勇猛得像头豹子，挥着槊（shuo，古代兵器，长矛的一种）大喊：\"父王莫怕，儿来了！\"据说他杀得兴起，连铠甲都脱了，光着膀子在阵中横冲直撞。
这场仗打了三天三夜，白沟河的水都被染红了。南军大败，李景隆骑着快马往南逃，沿途丢弃的粮草器械堆成了山。有个叫马三保的燕军小校，在清理战场时捡到一面南军的帅旗，旗角绣着\"平燕将军\"四个字，他偷偷把旗角撕下来塞进怀里——多年后，他会以郑和的名字名扬四海。而在南京，黄子澄捶着柱子哭：\"臣荐人不当，罪该万死！\"朱允炆却只是呆呆地看着地图，上面燕军的箭头正一点点向南推进。
战争打了两年，燕军虽然胜多负少，却始终没能突破山东防线。济南守将铁铉（xuàn）是个硬骨头，不仅多次击退燕军，还在城头挂出朱元璋的画像，让朱棣投鼠忌器。有次朱棣差点被铁铉的伏兵活捉，只带着三个护卫逃出重围，沿途靠吃野果充饥。道衍和尚在北平为他占卜，说\"直取南京，不必恋战\"，这句话成了战局的转折点。
建文四年（1402年）正月，朱棣绕过济南，率军直扑徐州。四月在灵璧大败南军主力，俘虏了平安等三十七员将领。这些将领大多是朱元璋的旧部，见了朱棣纷纷下跪，有人哭道：\"王爷，咱们都是跟着太祖爷打天下的，何苦自相残杀！\"朱棣扶起他们，解下自己的披风给平安披上：\"弟兄们，我不是要反朝廷，是要清君侧啊！\"
六月初三，燕军抵达浦口，与南军最后的精锐隔江对峙。朱棣望着滔滔江水，想起四年前从北平出发时的情景，那时身边只有八千人，如今已是数十万大军。可他心里清楚，只要过了这江，就再无回头路。当晚，江面上刮起南风，燕军的战船借着风势直冲南岸，南军的水师一触即溃。有个叫王景的小官，本来是奉命来劝降朱棣的，见燕军势大，当场脱下官服换上燕军的铠甲。
六月十三日，燕军兵临南京城下。金川门守将是谷王朱橞（hui）和李景隆，这两人一个是朱棣的弟弟，一个是前南军统帅。李景隆站在城楼上，看着燕军阵列里飘扬的\"靖难\"大旗，忽然让人打开城门。朱棣拍着他的肩膀说：\"李将军识时务，将来必有大用。\"
燕军入城时，百姓们躲在门后偷看，只见这些士兵虽然衣衫破旧，却纪律严明，没人敢抢东西。
皇宫里早已乱作一团。朱允炆在奉天殿来回踱步，齐泰、黄子澄劝他逃往浙江，徐达的儿子徐辉祖则跪在地上请战：\"陛下，臣愿死守宫门！\"片刻后，宫里烧起了大火。火是从坤宁宫烧起来的，据说朱允炆带着皇后和太子，在火海里自焚了。也有人说，他从地道逃了出去，换上僧衣，往云南方向去了。朱棣进城后在灰烬里找到一具烧焦的尸体，分不清男女，只能对着尸体哭道：\"侄儿啊，你怎么就这么想不开！\"
三天后，朱棣在群臣的\"劝进\"下登基，改元永乐。
许多年后，南京城里还流传着关于这场变故的传说