朱允炆即位后，朱棣直奔京师，朱允炆令其返回，朱棣不悦。朱棣遣长史葛诚入朝，朱允炆向葛诚密问燕王府事，派其回燕王府作内应。朱棣察觉异样，托病观变。
面对势力膨胀的藩王，尤其燕王朱棣，深感不安。在大臣齐泰、黄子澄的建议削藩。采取强硬手段，或废为庶人或逼其自杀。对有问题的亲王下手，先后废除五位亲王。
这种激烈做法引发其他藩王的恐慌与不满。燕王朱棣深知自己将成为削藩目标，于是暗中筹备起兵。他在北平广纳人才、扩充军队，同时装病装疯迷惑朝廷，以争取时间。建文元年（1399 年），朱棣以“清君侧，靖国难”之名起兵，“靖难之役”爆发。
战争伊始，建文帝掌控全国资源和兵力，占据绝对优势，朱棣仅有北平一地的兵力。建文帝用人失误，派去的将领李景隆多次战败，损失巨大。朱棣则凭借出色的军事才能和战略眼光逐渐扭转局势。
白沟河之战是靖难之役中的一场重要战役。
建文元年（1399 年），朱棣起兵反抗建文帝后，迅速解除了北平外围的威胁。建文帝先拜耿炳文为将讨伐朱棣，耿炳文在雄县、莫州、真定三战皆败。同年八月，建文帝以李景隆取代耿炳文负责平燕事宜。李景隆率领五十万大军，与朱棣的军队在白沟河展开会战。
战役第一天，朱棣的军队在苏家桥遭遇明军伏击，先锋官平安及都督瞿能父子率兵冲杀，朱棣所部死伤惨重，大败而退。
第二天，朱棣再次渡河求战。平安率领明军击溃燕军大将房宽所部，瞿能父子又从燕军背后形成夹击之势。朱棣奋战中射光了箭弩，宝剑也砍钝了，眼看就要被俘，幸得朱高煦领兵救出。
傍晚时分，瞿能父子再次带兵围住燕军追杀。就在燕军即将全线溃败之际，明军统帅李景隆军帐大营的帅旗突然折断。中军大旗倒下后，明军以为指挥部已被燕军攻破，顿时不战自乱，四散逃窜。朱棣则抓住这个机会，率领精兵四处放火，猛烈反攻。
这一仗下来，明军死伤数十万，参战的瞿能父子及俞通渊、滕聚等将领尽被诛杀，李景隆率残部逃向济南。
白沟河之战中帅旗折断的原因，有观点认为，李景隆可能是朱棣的内鬼。李景隆是名将李文忠的儿子，从辈分上讲，朱棣是他的表舅。李景隆在与朱棣的作战中多次表现异常。例如，在攻打燕京时，瞿能父子已经攻克了张掖门，准备杀入城内，但李景隆嫉妒瞿能的功劳，没有及时派兵增援。
而在白沟河之战中，当瞿能父子即将击败朱棣时，帅旗却突然折断，导致明军大乱。朱棣夺取皇位后，对李景隆论功封赏，李景隆受到的封赏甚至高于为朱棣立下赫赫战功的第一猛将朱能，这也让一些人怀疑他与朱棣暗中有勾结。
白沟河之战后，建文帝强大的军事优势瓦解，朱棣由守转攻，开始走向胜利。
建文二年（1400 年），朱棣在济南遭遇铁铉的顽强抵抗，久攻不下后选择南下直取南京。建文四年（1402 年），朱棣绕过济南，接连攻克宿州、扬州等地，兵临南京。谷王朱橞与李景隆开金川门投降，朱棣率军入城。宫中起火，建文帝下落不明，有说自焚，有说逃走隐姓埋名。朱棣登基，成为明成祖。
朱元璋的分封制虽初显巩固统治之效，却终致藩王之乱。当年，平遥县训导叶伯巨曾指出藩王势力过重的隐患，却遭朱元璋下狱囚死。朱元璋规定诸王就藩且不得相互往来，虽用心良苦，仍未达预期。
朱棣久经沙场，麾下将领善战，而建文帝一方将领指挥不力，军队战斗力弱。人心向背方面，朱棣“清君侧”的旗号赢得部分支持，且他在北平经营多年，深受当地军民拥护。
靖难之役后，朱棣即位后采取一系列措施加强中央集权，继续削藩、设立东厂等。同时，他多次亲征蒙古，拓展疆土；
派遣郑和下西洋，加强对外交流，开创永乐盛世。然而，这场战争也给百姓带来沉重灾难，社会经济遭受严重破坏，出现“淮以北鞠为茂草”的景象。
从朱元璋传位建文帝，到建文帝削藩引发靖难之役，再到朱棣夺位，这四年，反映了明朝初期政治制度的缺陷、权谋及社会的动荡。明朝逐渐走向新的发展阶段。
朱棣即位后，设立了内阁与东厂。