9月，朱允炆以盛庸代替李景隆為主將。年底，盛庸率師與燕軍會戰於東昌（今山東聊城），打敗燕軍，殺死燕將張玉。朱棣在戰爭中也被包圍，依靠朱能援軍的接應才得以突圍。東昌戰役是朝廷大軍取得的第一次大勝利。1401年2月，朱棣率軍再度南下出擊，先後於滹沱河、夾河、真定等地打敗南軍，進而攻佔了順德、廣平、大名等地。
經過兩年的混戰，朱棣取得的勝利多過南方的朝廷。但是朱允炆控制的朝廷畢竟土地、物資基礎雄厚，儘管損失慘重，但都源源不斷地獲得了補給，而燕王朱棣的損失卻是實實在在的。他雖然在河北、山東一帶佔領了許多城邑，但都是得而復失，不能鞏固。打了兩年的仗，朱棣的勢力依然局限在以北平為核心的局部地區。眼看著努力多年後，離自己的雄心壯志依然遙遠，朱棣不禁愁眉不展，進退兩難起來。而朱允炆以放逐齊泰、黃子澄為名，暗地命其募師勤王，繼續準備大規模戰爭。
就在這個時候，朱棣調整了戰略，形勢立即柳暗花明。有對朱允炆不滿的宮中太監從南京逃到北平向朱棣告密，稟告南京空虛的情況。朝廷大軍在河北、山東一帶布軍嚴密，重兵防守，但是淮河以南地區防備極端薄弱。朱棣決定改變戰略，攻敵不備。
建文四年（1402年）正月，朱棣率軍從山東繞過重兵雲集的濟南，一路破東阿、汶上、鄒縣、沛縣、徐州，四月份進抵宿州。前線的朝廷大軍尾追而來，在齊眉山（今安徽靈璧縣境）被燕軍打敗。之後，南北雙方在淝河相持。在關鍵時刻，朱允炆又受一些臣僚的影響，將徐輝祖部回防南京，削弱了前線的決戰軍力。之後，燕軍又截斷了朝廷的糧道，大敗南軍於靈璧。朱允炆陣營主力盡失，被俘的朝廷將領數以百計。從此，南北實力對比完全顛倒，燕軍一路凱歌南進。朱棣率軍渡過淮河，攻下揚州、高郵、通州、泰州等要地，到達長江北岸。朱允炆派遣慶成郡主到朱棣軍中談判，要求割地求和，遭到拒絕。6月3日，燕軍在瓜洲強渡長江，十天後進抵南京金川門，守衛金川門的李景隆和谷王開門投降，南京城陷，文武百官紛紛跪迎朱棣入京。朱棣在群臣的擁戴下登基稱帝，史稱明成祖，年號永樂。
這場「靖難之役」最終以朱棣的勝利告終。總結戰爭勝負原因，這是一場皇室成員之間爭奪權力的鬥爭，與正義還是邪惡無關。朱棣政治經驗豐富，富有冒險精神；而朱允炆行事欠穩重，被大臣蒙蔽，舉止失措。所以，在個人素質面前，朱棣在靖難之役中的勝利是帶有偶然因素的。
在南京城陷的時候，宮中火起，朱允炆不知所終。建文帝的歸宿到底怎樣，成了一個持續六百多年的謎團。《明史》載：
或雲帝由地道出亡。正統五年。有僧自雲南至廣西，詭稱建文皇帝。恩恩知府岑瑛聞於朝。按問，乃鈞州人楊行祥，年已九十餘，下獄，閱四月死。同謀僧十二人，皆戍遼東。自後滇、黔、巴、蜀間，相傳有帝為僧時往來跡。正德、萬曆、崇禎間，諸臣請續封帝后，及加廟謚，皆下部議，不果行。
建文帝下落不明。有的說建文帝於宮中自焚而死；有的說建文帝由地道逃亡，落髮為僧，雲遊天下；又有人說朱棣始終沒有放棄對侄子朱允炆的查找，鄭和下西洋的重要目的就是去海外追尋建文帝。朱允炆最終沒有再出現，明朝一代也沒有追封他的廟號、謚號。朱允炆的下落成了明史上的一大懸案。
四紫禁城第一帝
作為皇帝的朱棣還做了兩件對中國歷史影響深遠的大事。
第一件事是好事。朱棣營建、遷都北平，樹立了北京在之後的政治文化地位。當今天的遊客在故宮、天壇等地遊覽的時候，很少有人注意到這是朱棣花費數十年時間修建的重點工程，同樣北京的許多標誌性建築物也大都與朱棣有淵源。
明朝建立之初定都南京，南京雖然虎踞龍盤，但對於盤踞漠北的蒙古大軍卻鞭長莫及。1403年，朱棣就授意大臣上奏，建議把北平改為北京，明朝政府遷都北京，然後朱棣以加強北部邊防的名義採納了這個建議。朱棣首先改北平為北京，升為陪都，稱做行在。同時，改北平府為順天府，有意提高北京的政治地位。接著，他大規模向北京附近移民屯田，並給予5年減免賦稅的優惠。戰亂之後，形成了許多閒置軍士和流民，朱棣就組織這些人在北京耕種。為了加強北京人口和經濟，朱棣甚至釋放囚徒，安置他們在北京周邊地區種田。朝廷向這些移民實行優待政策，如免稅糧、免費提供牛具、種子等。同時遷往北京的還有大批工匠，經過多年苦心經營，北京逐漸發達繁榮起來，初步具備了大都市的規模。
對於朱棣遷都的目的，中國人民大學博士生導師毛佩琦教授認為：「朱棣作為一個藩王，很年輕就來到了北平，他每天所看到的就是忽必烈這些人在這裡經營的天下。這一點對於朱棣的影響太深了，朱棣要做皇帝，要做一個千古名王，誰是他的榜樣？忽必烈。所以，他遷都北京是為了防禦蒙古嗎？蒙古不在話下，他五出漠北，打得蒙古人無影無蹤。所以他不是為了防禦蒙古，而是為了繼承元朝這些雄主，要建立一個龐大的帝國，是把中華民族多元一體的一個統一國家向前繼續推進。」
的確，朱棣是一個雄心壯志、一心想有作為的偉大帝王。他即位後五次征伐蒙古，追擊蒙古部族，緩解其對明朝的威脅；疏通大運河，貫通南北經濟；組織編撰百科全書《永樂大典》；設立奴兒干都司，以招撫為主要手段管轄東北少數民族；派遣鄭和七下西洋，最遠到達非洲東海岸，溝通了中國同東南亞和印度河沿岸國家，功績纍纍。朱棣是歷史上第一個定都北京的漢人皇帝，也是紫禁城內的第一個皇帝。
第二件事情就是朱棣在位期間強化君主專制。他建立特務組織，鉗制朝野。最為後世詬病的是朱棣對建文諸臣殘酷屠殺，大肆株連。朱棣即位後，下令大索齊泰、黃子澄等前朝大臣五十餘人，以奸臣之名進行了大屠殺，並實行族誅之法，族人無論少長都被斬首，妻女發教坊司做妓女，姻黨悉戍邊。相當長的時間內，成百上千的無辜者被推上刑場。齊泰、黃子澄被族滅；御史大夫練子寧被斷舌磔死，族滅；戶部侍郎卓敬被斬，族滅；長興侯耿炳文家籍沒，耿炳文自殺；李景隆家籍沒，禁錮景隆及家屬；盛庸下獄自殺……逆朱棣者「命赤其族，籍其鄉，轉相扳染，謂之瓜蔓抄，村裡為墟」。
其中尤被後人批評的是方孝孺一案。方孝孺是明初名儒宋濂的得意門生，後來也成了一代大儒。他博學強記，通曉經史，寫一手錦繡文章。建文帝即位後，招方孝孺至南京，委以翰林侍講學士之職，尊為老師，「國家大事，輒以咨之」。方孝孺對建文帝赤膽忠心，全力輔助。朝廷一系列征討燕王的詔書和檄文都出自方孝孺之手。
朱棣佔領南京後，逼迫方孝孺起草自己的即位詔書。方孝孺堅決反對朱棣篡位，寧死不屈。他擲筆於地說：「死即死耳，詔書不草！」朱棣大聲說：「詔不草，滅汝九族！」方孝孺倔強地說：「莫說九族，十族何妨！」朱棣威脅方孝孺：「不要自找苦吃，我欲傚法周公輔佐成王。」方孝孺依然不屈，假裝順從，從地上拾起筆來，大書四個字「燕賊篡位」。
朱棣大怒，命人拿刀來從方孝孺的嘴角直割到耳旁。方孝孺大罵不止。他對方孝孺的不屈極為惱怒，下令把方孝孺在午門內凌遲處死。古代帝王處死大臣，一般都在刑部天牢、鬧市行刑，或者推出午門外斬首。方孝孺沒有被推出午門，就在午門內被殺了，可見朱棣對他的怨恨之深。方孝孺在就義前，作絕命賦道：「天降亂離兮，孰知其由；奸臣得計兮，謀國用猶；忠臣發憤兮，血淚交流；以此殉君兮，抑又可求？嗚呼哀哉，庶我不尤！」朱棣虐殺了方孝孺後，殘暴地下令滅方孝孺九族，又將他的朋友門生作為一族全部殺掉，湊成十族。方孝孺一案共誅殺873人，行刑達7日之久。朱棣就是這麼一個帶有矛盾性的帝王，一方面他為了實踐雄心壯志，勤政，有大略；另一方面，他殘殺過度，不遺餘力加強君主專制。
1424年，蒙古部落阿魯台侵擾大同、開元，明成祖親征，不見敵而還。回師路上，朱棣曾告訴隨行的大學士自己做的一個夢。在夢裡，一個神人模樣的人對他說：「上帝好生。」朱棣不知道夢裡的話是暗示著蒙古人有上帝的保護還是譴責他過去殺戮太重。總之一路上，朱棣都在思考這句話。每當他在路上看見蒙古和中原歷次交戰留下的白骨，他都感到心情壓抑。舊歷七月，大軍走到榆木川（今內蒙烏珠穆沁）的時候，朱棣病逝，享年64歲。
大軍在外，君主暴亡，國中無主。為了防止內地的藩王和有野心的大臣乘機作亂，隨行大臣和太監們決定秘不發喪。為了掩蓋越來越重的屍臭，他們下令把軍中的錫器全都集中起來。因為大軍數以十萬計，將這些錫器集中起來後數量可觀，加上錫的熔點很低，群臣很容易就製成了一個錫質棺材，然後把朱棣安放進去，密封起來。為了保密，他們還殺死了錫匠。一路上，沒有主帥的大軍照常行進，每天朱棣照常「進膳」。實際上早派人通知了留守的太子。朱棣到了京城才正式發喪，因此朱棣之死也籠罩上一層神秘色彩。
朱棣葬於北京昌平明長陵，廟號太宗。以後昌平附近逐漸聚成了現在的明十三陵。嘉靖十七年（1538年）九月，改朱棣廟號為成祖，謚號啟天弘道高明肇運聖武神功純仁至孝文皇帝。