北元的实力衰弱以后，蒙古草原的局势就变了，各部落都从北元的控制中挣脱，蒙古再一次陷入了混乱，这场蒙古草原的大战最终形成了三足鼎立的局面：兀良哈、瓦剌和鞑靼。朱棣登基之后，多次派遣使者出使鞑靼，但是每一次鞑靼都要羞辱使者，对大明的回复也很强硬。阿鲁台成为了大汗之后，他对大明更加的不屑，明朝派遣使者前来，可是阿鲁台居然将明朝的使者杀了，朱棣知道以后马上下令大军出征鞑靼。
靖难的功臣丘福带领十万军队远征蒙古，可是丘福靖难还可以，去打蒙古显得没那么容易，这一次出征出现了指挥上和天时地利的不合理，导致了丘福大军的失败，十万军队几乎全军覆没。朱棣得知消息之后大怒，狠狠训斥了丘福，但是这个时候大明的能够出征的将领不多了，于是朱棣决定御驾亲征，亲自挂帅。
永乐八年（1410年）正月十五日，明成祖向天地、宗庙、社稷祭告亲征鞑靼之事，在二月亲率大军由北京启程。明军没有隐瞒征伐鞑靼的企图，于三月九日在鸣銮戍举行了大阅兵，阵容东西绵亘数十里，并请来朝贡的瓦剌使者观看。明军进军的速度不算快，经常上午行军，中午之后休息，甚至还会在途中休息一至数天。每十日路程，则建筑一个城寨，城寨通常都有水源，当前进的明军缺水时，可以派人回到后面的城寨取水，同时，明军在每一个城寨里面贮存了粮草，并留置一部分军队守卫。沿路筑城贮粮的主要目的是为回师做准备，这显示明成祖最初制订的计划是沿原路回师。
五月一日，明军到达胪朐河（朱棣改其名为“饮马河”），至此，已经深入蒙古腹地，却仍未与蒙军相遇。五月八日，明军前进至环翠阜，据一位名叫款台的明军指挥捕获的蒙古人供称，鞑靼发生内讧，大汗本雅失里率一部分人马向西欲投奔瓦剌，现在已经到达了兀古儿扎河（即克鲁伦河北），而太师阿鲁台则率另一部分人马东奔。针对鞑靼已经分散为两部分的事实，朱棣也改变了以往集中兵力的布置，将明军分为两部分，一部分驻扎在新筑起的“杀胡城”监视东奔的阿鲁台部，另一部分在朱棣的亲自带领下，携带二十日粮，追击本雅失里。
当朱棣率军在斡难河畔终于追上了本雅失里，双方爆发了一场激战。朱棣亲自登山指挥明军发起进攻，迅速击败了蒙军，俘虏了一批男女、畜牲、辎重等。本雅失里战败之后，率领七骑渡河逃跑，朱棣命令游击将军刘江、骠骑将军梁福追击却是空手而还。
朱棣只好班师回到“饮马河”与驻扎在“杀胡城”的明军会师。此时又收到谍报，得知鞑靼知院失乃干率领一部分溃散的蒙军在广武镇一带，欲向明军投降，明成祖令明军指挥廓廓贴木儿前往招抚，同时，再次作出分兵的决定，一部分明军回师开平，防备失乃干。如果失乃干拒绝投降，则对其予以攻击。朱棣率领另一部分明军沿“饮马河”东进，搜索鞑靼太师阿鲁台部。
六月初九，明成祖得知阿鲁台的军队就聚集在山谷的前面，于是就象在斡难河与本雅失里作战时那样，亲自带数十骑登上一座山冈，观察地形，指挥明军布阵向蒙军进攻。蒙军且战且退，出没于山谷间。在此期间，阿鲁台派人诈降，但被明成祖识破。蒙军大队人马展开反击，首先冲向明军的右哨，武安侯郑亨带领明军成功地挡住了蒙军的进攻。阿鲁台亲自带领数千骑兵冲向朱棣的御营，结果遭到了明军都督兼骁骑将军谭广率领的神机营的射击。
明军最为精锐的部队就是被称为京师三大营的三支主力部队，这三支部队虽然人数不是很多，却是明军的精华。作为明帝国皇帝最为倚重的军事力量，京师三大营不仅拥有精良的武器装备，而且组成这支军队的士兵全部都是从各地军队中挑选而来。在历次的战争中，京师三大营都是充当了御林军的角色，特别是其中的神机营，是世界上第一支大规模装备了火器的部队，在和蒙古人的战争中为帝国立下了赫赫的战功。
神机营一共有四千名士兵，其中三千人是步兵，使用的是火铳，五百人是骑兵，装备的是三眼铳之类的热兵器，还有五百名士兵专门负责操纵火炮。全营是清一色的热兵器，这在十四世纪的世界是绝无仅有的，欧洲出现类似的大规模火器部队还要等到一个世纪以后。而且由于财力的限制，欧洲早期的火器部队规模都不大，一场战役出动的火器部队往往只有几百人的规模，由此可以看出，明代的神机营确实是远远领先于所处的时代。
神机营为了能够保证长时间持续的射击，通常分为三排，前一排首先由处于队列第一、三、五、七、九、十一等位置的士兵射击，再由处于队列第二、四、六、八、十等位置的士兵射击。前一排的士兵在每一次射击之后，马上将神机铳递回中间一排的士兵，同时从中间一排的士兵手中接过装好弹药的神机铳。中间一排的士兵一方面负责从前排士兵的手中接过射击之后的神机铳，并向后传递给第三排的士兵装上弹药；另一方面负责从第三排士兵的手中接过已经装好弹药的神机铳，并向前传递给前一排的士兵。
当神机营用神机铳重创了蒙军之后，朱棣亲率千余精锐骑兵冲锋，利箭如雨般射向蒙军，阿鲁台在败退时惊惶失措一度堕马。明成祖率军追击到回曲津，命安远伯柳升以神机铳射击蒙军，铳声震动数十里，被射中的蒙军人马纷纷倒毙。明军发动冲锋，斩蒙军名王以下数百十人。六月十四日，明军班师时，压运着一批俘获的辎重。朱棣先命数百骑兵埋伏在河曲的柳林里，再用包囊装上草来冒充辎重，由十余骑兵持神机铳在后面护送。蒙军误认为明军主力已经撤离，遂一轰而上抢夺辎重，明军等待蒙军进入埋伏圈之后，马上跃起用神机铳射击，同时，明成祖亲率精兵杀回，蒙军大乱，人马陷入淖泥中，除数十人被俘之外，其余全部死亡
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