狡猾的齊泰、黃子澄對燕王的病情有點懷疑多次勸朱允炆要有所警惕，朱允炆也加緊調兵遣將，加強了對朱棣的防備。
1399年6月，燕王府護衛百戶倪諒到應天告發燕王圖謀反叛。朱允炆馬上下令逮捕燕王府的官員和燕王的家屬，還特令北平駐軍謝貴、張昺率軍圍攻燕王府，約定燕王府的一些官員作內應，秘密命令北平都指揮使張信帶兵逮捕朱棣。
張信早已站在燕王一邊，他給燕王通風報信。燕王一得到消息，馬上就密謀布置。首先把謝貴和張昺兩人誘入府中，殺掉。然後把燕王府裏充當內應的官員都抓了起來。他來了個先發製人，宣布起兵。
燕王是個十分精明的人，他深知朱允炆是個名正言順的法定皇帝，如果自己公開打出反叛的旗號，對自己不利。於是，他搬出了明太祖朱元璋在《祖訓》中所說的話：“朝無正臣內有奸逆，必舉兵誅討”。他以“清君側”為理由起兵，說要幫助建文帝朱允炆除掉奸臣黃子澄、齊泰。
燕王領軍南下，直指京都應天。朱棣本是一位具有豐富帶兵經驗的宿將，手下又有一支經過長期嚴格訓練的精兵。再加上他駐紮北平已經很久，多年苦心經營，附近的各郡縣衛所都受他的統轄節製，所以他一起兵，就得到各方響應，紛紛前來投奔，士氣十分旺盛。他率兵很快就攻取了薊州、懷來、永平、通州等地。
朱允炆雖然處於正統的有利地位，但他是個迂闊懦弱、優柔寡斷的人，遠遠不是燕王的對手。而且，明朝的許多開國元老們都被猜忌多疑的朱元璋誅殺殆盡，他手下缺少精兵強將。手下的許多官員，皇宮裏的許多太監，見大勢不妙，紛紛投靠了燕王。朱允炆害怕了起來，連忙撤了黃子澄、齊泰的職，並派人求燕王退兵。
燕王哪裏肯就此罷休，他率兵一路衝殺，勢如破竹，意欲直搗黃龍。燕軍節節勝利，士氣越來越高。1401年，燕王率軍大舉南下，直向應天而來。翌年4月，燕軍攻打慶壁，遇到了南軍的頑強抵抗，雙方打得難解難分，十分激烈。這時，燕軍有些躊躇不前，有些將領提出暫時撤兵。燕王堅決不同意。斬釘截鐵地說：“這次進軍，隻能前進，不能後退！”沒多久，燕軍發起突然襲擊，打得南軍一敗塗地。
朱允炆無計可施，隻好再派人和燕王議和，願意割讓土地，請求燕王退兵。燕王眼看京城唾手可得，自然不願就此罷休，一口回絕，同時加緊了進攻。
這年六月初三，燕軍誓師渡江，直指應天。朱允炆看兵臨城下，形勢危急，命令手下將士死守。但沒過幾天，應天守將王景隆打開京師金川門投降，城被攻破。
燕王率領軍士進城，威武壯觀，文武百官紛紛在道路兩旁跪著迎接。燕軍進城後，隻見皇宮大火熊熊，正在燃燒。燕王馬上派人把大火撲滅，已經燒死了不少人。接著，他查問朱允炆的下落。有人報告說，燕軍進城之前，建文帝朱允炆下令放火燒宮，他和皇後都跳到火裏自焚而死。也有人報告說，他已經從地道逃出了京師。究竟他是死是活，很難確定，為後人留下了一個解不開的謎團。
曆史上把明朝的這次內戰叫做“靖難之變”，靖難是指平定內亂的意思。至此，經過三年作戰，燕王朱棣終於在1402年6月奪得了夢寐以求的皇位。這就是明成祖。到公元1421年，明成祖遷都北京，自那時候起，北京一直成為明朝的京城。