建文帝与亲信大臣齐泰、黄子澄等采取一系列削藩措施。与此同时，也在北平周围及城内部署兵力，又以防边为名，把明太祖第四子燕王朱棣的护卫精兵调出塞外戍守，准备削除燕王。燕王朱棣于建文元年起兵反抗，随后挥师南下，史称“靖难之役”。战争历时四年。战乱中建文帝下落不明，或说于宫中自焚死，或说由地道逃去，隐藏于云、贵一带为僧。同年，朱棣即位，是为明成祖。
历史上有很多大规模的政变，比如西汉七国暴乱、西晋的八王之乱，还有明朝的靖难之役等很多很多叛变事件，但是实际上这些叛变难以取得成功，除了靖难之役基本上没有多少叛乱取得成功，尤其是在统一王朝之中发动叛乱。七国之乱看似影响极大，中央朝廷难以平定，实际上他们在几个月之内就击败了各位诸侯，取得了胜利；八王之乱更是一个没有赢家的叛乱事件，几位藩王同时作乱，你打我我打你，最后也没分出胜负，大家都是输家，只有靖难才是真正取胜的叛乱。
实际上，这次叛乱能够取得胜利也是十分奇怪的。
首先，燕王实力完全不如中央的实力，燕王当时在发动叛乱的时候仅仅能够控制北平一个城市和几万军队，而且北平也是燕王刚刚夺取控制权的，人心还不稳，全国其它地区都对明朝朝廷效忠，就算是朱棣攻入南京之后，它实际上也没能控制多少土地，而且尽管他的军队都是久经战阵的老兵，实力较强，但这也是有限的，跟朝廷拥有数百万计的大军和能够在很短时间内招募到的几十万预备军，燕王的实力可真的是弱的可怜，从实力上看，他根本难以取得胜利。
其次，燕军的战略空间小，而朝廷的战略空间十分大。从北平到南京按照古代的走法和明初北伐的路线，应该是先从北平经过河北地区到达山东，攻克济南之后，再取得徐州，最后渡江南下攻取南京。但是这条路上都是军事重镇，无论是济南徐州还是南京要取得都是很困难的，加上燕军数量少、缺乏粮食，一旦时间拖得久了那就难以为继了；而朝廷的可回旋空间则是很大的，他们完全控制山东江苏等地，不仅如此，他们还拥有很多坚城、淮河和长江的天险。根本不用惧怕燕王的攻击。
而且，朝廷对燕军的军事行动是具有完全的正当性的，自己才是正义的一方，燕王想要争夺本不应该是他的皇位，违背了基本的礼制，从道理上看就输理，更是在和平之中非要制造混乱和战争，给百姓带来战乱的痛苦，更应该得到人们的反感，况且燕王势力很小，任谁看都不会相信他会取胜；而朝廷是在平叛，具有道德上的优势，而且朝廷兵多将广、占据优势，这就更让人怀疑燕王取胜的可能性。
然而，这次叛乱最后的结果却和人们想的不一样，反而是兵少将寡实力不足的燕王取胜了，这真是让人感到十分奇怪。在很多人看来，朝廷不仅是站在道德高点上，军队实力和财政实力都比燕王强一百倍，怎么可能会输掉呢？
朱棣初起兵时，燕军只据北平一隅之地，势小力弱，朝廷则在各方面都占压倒性优势。所以战争初期，朝廷拟以优势兵力，分进合击，将燕军围歼于北平。朱棣采取内线作战，迅速即攻取了北平以北的居庸关、怀来、密云和以东的蓟州、遵化、永 平(今河北卢龙)等州县，扫平了北平的外围，排除了后顾之忧，便于从容对付朝廷的问罪之师。
经过朱元璋大肆杀戮功臣宿将之后，朝廷也无将可用，朱允炆只好起用年近古稀的幸存老将长兴侯耿炳文为大将军，率军13万伐燕。建文元年八月(真定之战)，师至河北滹沱河地区。燕王在中秋夜乘南军不备，突破雄县，尽克南军的先头部队。继而又于滹沱河北岸大败南军的主力部队。建文帝听到耿炳文军败，根据黄子澄的推荐，任曹国公李文忠之子李景隆为大将军，代替耿炳文对燕军作战。
李景隆本是纨绔子弟，素不知兵，“寡谋而骄，色厉而馁”。九月，李景隆至德州，收集耿炳文的溃散兵将，并调各路军马，共计50万，进抵河涧驻扎。当朱棣侦知李景隆军中的部署后，笑着说，兵法有五败，李氏全犯了，其兵必败无疑，这就是政令不修，上下离心;兵将不适北平霜雪气候，粮草不足;不计险易，深入趋利;求胜心切，刚愎自用，但智信不足，仁勇俱无;所部尽是乌合之众，且不团结。为了引诱南军深入，朱棣决计姚广孝协助世子朱高炽留守北平，自己亲率大军去援救被辽东军进攻的永平，并告诫朱高炽说：“李景隆来，只宜坚守，不能出战。”朱棣还撤去了卢沟桥的守兵。
朱棣这一招果然灵验，李景隆听说朱棣率军赴援永平，就率师于十月直趋北平城下。经过芦沟桥时见无守兵，禁不住欢喜，说：“不守此桥，我看朱棣是无能为力了。”这时朱高炽在北平城内严密部署，拼死守卫。李景隆则号令不严，指挥失当，几次攻城，皆被击退。南军都督瞿能曾率千余精骑，杀入张掖门，但后援不至，只好停止进攻。又因李景隆贪功，要瞿能等待大部队一起进攻，错过了时机。燕军则因此得到喘息，连夜往城 墙上泼水，天冷结冰，待到次日，南军也无法攀城进攻了。朱棣解救永平之后，率师直取大宁。
大宁是宁王朱权的封藩，所属朵颜诸卫，多为蒙古骑兵，骁勇善战。朱棣攻破大宁 后，挟持宁王回北平，合并了宁王的部属及朵颜三卫的军队。朱棣带着这些精兵强将于十一月回师至北平郊外，进逼李景隆军营。燕军内外夹攻，南军不敌，李景隆乘夜率先逃跑，退至德州。次日，士兵听说主帅已逃，“乃弃兵粮，晨夜南奔”。
建文帝为大臣所蒙蔽，反而奖励打了败仗的李景隆。建文二年(1400年)四月，李景隆会同郭英、吴杰等集合兵将60万众，号称百万，进抵白沟河(今河北雄县北)。朱棣命令张玉、朱能、陈亨、丘福等率军十余万迎战于白沟河。战斗打得十分激烈，燕军一度受挫。但南军政令不一，不能乘机扩大战果。燕军利用有利时机，力挫南军主将，南军兵败如山倒。李景隆再次退走德州。燕军跟踪追至德州。五月，李景隆又从德州逃到济南。朱棣率燕军尾追不舍，于济南打败李景隆率领的立足未稳的十余万众。济南在都督盛庸和山东布政使铁铉的死守下得以保住。朱棣围攻济南三月未下，恐粮道被断，遂回撤北平，盛庸收复德州。
李景隆在几个月的时间内一败再败，建文帝撤免了他的大将军职务，建文帝采黄子澄之谋，遣使议和以求缓攻，又任命盛庸为平燕将军，代李景隆统兵代之以盛庸。盛庸屯兵德州，以遏燕军南下。建文二年九月，盛庸率兵北伐，十月，至沧州，为燕军所败。十二月，燕军进至山东临清、馆陶、大名、汶上、济宁一带。盛庸率南军于东昌(今山东聊城)，严阵以待。
燕军屡胜轻敌，被南军大败，朱棣亲信将领张玉死于战阵，朱棣自己也被包围，借朱能援军的接应才得以突围。东昌战役是双方交战以来，南军取得的第一次大胜利。兵败后，朱棣总结说：东昌之役，接战即退，前功尽弃，今后不能轻敌，不能退却，要奋不顾身，不惧生死，打败敌手。
建文三年(1401年)二月，朱棣率军出击，先后于滹沱河、夹河、真定等地打败南 军。接着，又攻下了顺德、广平、大名等地。战争已经进行了两年的时间，南北交战主要在河北、山东。燕军虽屡战屡胜，但南军兵多势盛，攻不胜攻，燕军所克城邑旋得旋失，不能巩固。能始终据守者，不过北平、保定、永平三府而已。正在朱棣为此而苦恼之际，南京宫廷里不满建文帝的太监送来了南京城空虚宜直取的情报。朱棣手下谋士也劝朱棣勿攻城邑，越过山东，以迅速行动直趋金陵，金陵势弱无备，必可成功。于是朱棣决定跃过山东，直捣金陵。朱棣据此决定举兵南下，直指京城。
建文四年(1402年)正月，燕军进入山东，绕过守卫严密的济南，破东阿、汶上、邹县，直至沛县、徐州，向南直进。而燕军已过徐州，山东之军才南下追截。四月，燕军进抵宿州，与跟踪袭击的南军大战于齐眉山(今安徽灵璧县境)，燕军大败。双方相持于淝河。在这次决战的关键时刻，建文帝受一些臣僚建议的影响，把徐辉祖所率领的军队调回南京，削弱了前线的军事力量，南军粮运又为燕军所阻截，燕军抓住时机，大败南军于灵璧，仅俘获南军将领即几百人。自此，燕军士气大振，南军益弱。朱棣率军突破淮河防线，渡过淮水，攻下扬州、高邮、通州(今江苏南通)、泰州等要地，准备强渡长江。这时，朱棣之子朱高煦引番骑赶到，燕军军势大振。
建文帝曾想以割地分南北朝为条件同燕王议和，被拒绝。六月初三，燕军自瓜洲渡江，镇江守将降城，朱棣率军直趋金陵。十三日进抵金陵金川门，守卫金川门的李景隆和谷王为朱棣开门迎降。燕王进入京城，文武百官纷纷跪迎道旁，在群臣的拥戴下即皇帝位，是为明成祖，年号永乐。历时四年的“靖难之役”以燕王朱棣的胜利而告终。
“靖难之役”历时四年，前期作战南军连连败藉。但自济南保卫战后，南军主力屯驻德州，相机出击，以遏燕军。德州处在运河线上，南北交通便利，燕军自河北南下，始终处在德州的监控之下。燕军南攻时，南军或自德州横出断其归路，或袭扰其补给线，或乘虚北攻。所以，虽以朱棣之善用兵，南军再未出现过战争初期的那种大的挫败，燕军势力基本上被阻在山东以北。朱棣未克山东，故虽屡战屡胜，激战两年半，却始终未能打开局面。等到他越过山东，直趋金陵，半年时间便夺取了政权。
不过，朱棣撇下山东，径直南下，实属铤而走险。南北朝时，刘宋皇帝刘义隆进攻北朝的魏国，而北魏以它的国力和北魏太武帝拓跋焘之雄才大略，在击破刘宋黄河一线之军后，开始兵分五路，大举向南反击，长驱江淮，兵临瓜步，饮马长江，当时北魏太武帝达到了震慑南朝的目的，而未敢渡江以争江南。反观，朱棣的这种战术也只能在那时特殊的形势下才有可能成功。自明初朱元璋杀功臣后，明廷已无堪与朱棣相匹敌的将才，所以朱棣南下才有恃无恐。
其次，“靖难之役”在那个时代的观念中，纯属一家一姓内部之争，所以建文帝虽一再下诏“勤王”，但真正勤王者少，而归顺燕军者多。不然，朱棣孤军南下，建文帝只需坚守金陵，坐待四方勤王之师会合，山东方面则截断燕军的补给线和退路，那样的话，朱棣处境势必极其危险。因此，换上另一人，换上另一种背景，则断不敢冒险采取这种战术，置山东于不顾。
战争虽结束，与此相关的历史却在发展。燕王进京后，宫中起火，建文帝下落不明。有的说建文帝于宫中自焚而死，或云建 文帝由地道出亡，落发为僧，云游天下，传说他于正统朝入居宫中，寿年而终;又有一说建文帝逃至东南亚，郑和下西洋的其中一个目的就是寻找建文帝。建文帝的真正下落已不可确考，成为明史上的一大悬案。
当上皇帝的朱棣，大肆杀戮曾为建文帝出谋划策及不肯迎附的文臣武将。齐泰、黄子澄、景清等被整族整族地杀掉： “命赤其族，籍其乡，转相扳染，谓之瓜蔓抄，村里为墟。”有“读书种子”之谓的方孝孺，因不肯为朱棣撰写即位诏书，九族全诛，这还没完，又将其朋友门生作为一族全部杀掉，十族共诛873人。这次清洗极为残酷，共有数万人惨死于朱棣的屠刀之下。
四年的“靖难之役”，给明初刚刚有所恢复的社会经济以较大的破坏，而直接遭到战争践踏的地区，破坏可为严重，上称“淮以北鞠为茂草”，当为真言。