隨著韃靼勢力的衰落，蒙古高原的權力格局發生了顯著變化。瓦剌部落在首領馬哈木、太平、把禿孛羅的帶領下逐漸崛起，控制了蒙古西部地區，其勢力范圍不斷擴大。瓦剌的強盛引起了明朝的警惕，尤其是其一系列挑釁行為——拒絕向明朝朝貢、試圖拉攏兀良哈部、扣留明朝使者，甚至公開揚言要攻掠明朝邊境。這些舉動使得明成祖朱棣意識到，瓦剌已成為北部邊境的新威脅。

《明史·成祖本紀》有載：

"（永樂）十二年春正月……瓦剌馬哈木等擁兵飲馬河，將入犯，而揚言襲阿魯臺。開平守將以聞……三月庚寅，親征瓦剌，命皇太孫留守北京……"

為了應對這一威脅，朱棣開始積極籌備第二次北伐。永樂十二年（1414年）三月，他下令調集軍隊，以皇太孫朱瞻基監國，自己則親率大軍從北京出發。

此次北伐的兵力構成以京營精銳為核心，并配備了神機營，這是明朝火器部隊首次大規模投入草原野戰。神機營裝備了火銃和火炮，其火力優勢成為明軍的重要依仗。

后勤保障方面，明朝疏通運河與驛站系統，將糧草轉運至宣府、開平等邊境重鎮。朱棣的戰略目標明確：擊潰瓦剌主力，迫使其臣服，消除北部邊境威脅。各項準備工作完成后，明軍北上，邊境戰役即將展開。

明軍從北京出發后，沿既定路線向北推進。隊伍規模龐大，以京營精銳為核心，神機營的火器部隊隨行，騎兵與步兵協同前進。行軍路線經過精心規劃：先經宣府，這里是明朝北疆的重要軍事據點，儲備了大量糧草；隨后轉向興和（今內蒙古張北），再沿臚朐河（今克魯倫河）深入蒙古草原。

草原行軍并不輕松。盡管后勤準備充分，但漫長的補給線仍給軍隊帶來壓力。沿途的驛站和臨時糧倉確保了部隊的補給，但草原的廣袤和氣候的變化仍對士兵的體力構成挑戰。明軍保持著嚴密的隊形，斥候不斷在前方偵察，以防瓦剌騎兵的突襲。

六月初，明軍抵達撒里怯兒（今蒙古烏蘭巴托東南），偵察兵傳回關鍵情報：瓦剌主力已在忽蘭忽失溫（今蒙古烏蘭巴托東南哈拉和林附近）集結。馬哈木、太平、把禿孛羅率領約三萬騎兵，占據有利地形，準備迎戰。瓦剌軍依托山勢布陣，騎兵分成三路，意圖利用地形優勢沖擊明軍。

朱棣迅速調整部署，命令全軍進入戰斗狀態。明軍以神機營為前鋒，火銃手和炮手列陣待命，騎兵分列兩翼，步兵居中策應。雙方的距離逐漸縮短，草原上的緊張氣氛愈發凝重。瓦剌騎兵開始試探性沖鋒，試圖擾亂明軍陣型，但明軍未輕易動搖。

六月初七黎明，瓦剌騎兵從忽蘭忽失溫的山坡高處列陣而下。馬哈木將三萬騎兵分為三路，左翼由太平指揮，右翼由把禿孛羅統領，自己親率中軍精銳。他們利用地形坡度加速沖鋒，試圖以排山倒海之勢沖垮明軍陣線。瓦剌騎兵身著皮甲，手持彎刀與長矛，戰馬披掛毛氈護具，沖鋒時揚起漫天塵土，喊殺聲震動四野。

朱棣早已通過斥候掌握了瓦剌軍的布陣情況。他命令神機營在陣前構筑臨時防御工事，火銃手以三列輪射陣型排列，火炮則架設在后方高地上。當瓦剌騎兵進入兩百步射程時，神機營指揮官柳升揮動令旗，第一排火銃手同時開火，鉛彈如暴雨般傾瀉而出。緊接著第二排、第三排依次射擊，形成連綿不絕的火力壓制?！睹鲗嶄洝酚涊d：

“神機槍炮連環不絕，敵軍騎兵應聲而倒者甚眾?！?/strong>

沖在最前的瓦剌騎兵連人帶馬被射翻，后續騎兵被迫勒馬減速，沖鋒陣型頓時大亂。

瓦剌左翼指揮太平見狀，急令騎兵向兩側分散，試圖繞過火器射程。此時明軍兩翼騎兵在柳升、陳懋率領下突然殺出。左翼明軍騎兵皆披棉甲，手持手銃，近戰時先發射銃彈再以銃身砸擊；右翼騎兵則持長槍，專挑敵軍馬腿攻擊。兩軍騎兵碰撞的瞬間，金屬交擊聲與戰馬嘶鳴響徹戰場。把禿孛羅的右翼騎兵被陳懋部截住，明軍騎兵以五人為一伍，互相掩護，將瓦剌騎兵分割包圍。

馬哈木見兩翼受挫，親率中軍精銳發起決死沖鋒。這批重裝騎兵皆披鐵網甲，馬匹要害處覆以鐵片，冒著槍林彈雨直撲明軍中軍大旗。朱棣令神機營集中火力射擊，同時命盾牌手在前組成盾墻，長槍兵從縫隙中突刺。都指揮使滿都率三百死士迎戰，與瓦剌騎兵貼身肉搏，最終力竭戰死。戰至午后，瓦剌軍已顯疲態，多名貴族陣亡，包括馬哈木之子在內的十余位王子斃命。

日落時分，瓦剌軍終于支撐不住開始潰退。馬哈木在親兵掩護下向西突圍，沿途丟棄大量輜重。明軍清點戰場，共斬首四千余級，繳獲戰馬兩萬多匹，鎧甲兵器堆積如丘。但由于自身傷亡亦重（明史載“官軍死者千余人”），加之草原地形復雜，朱棣未令部隊深追，轉而收攏傷員，鞏固陣地。此役明軍首次在草原野戰中大規模運用火器取勝，為后世北疆戰事樹立了先例。

隨著瓦剌殘部向西北潰逃，明軍開始有條不紊地清理戰場。朱棣命令各部清點傷亡、收攏傷員，同時派出輕騎兵小隊追蹤瓦剌敗軍動向，防止其突然折返。戰場上到處是倒斃的戰馬和士兵，軍醫們穿梭其間，為傷兵包扎治療。陣亡的都指揮使滿都被厚殮，準備運回京師安葬。寧陽侯陳懋雖負傷但仍堅持指揮部隊，其右臂被流矢所傷的傷口經隨軍醫官處理后已無大礙。

次日清晨，朱棣召集眾將商議下一步行動。大帳內，將領們分列兩側，氣氛凝重。安遠侯柳升首先稟報：“我軍雖獲大勝，但糧草消耗過半，若繼續深入追擊，恐補給不繼?！北可袝劫e補充道：“據探馬回報，馬哈木已逃往土剌河一帶，當地水草匱乏，我軍重裝部隊行進困難。”經過慎重考慮，朱棣決定見好就收，下令全軍整備，準備班師。

七月初，明軍開始分批次南返。為震懾蒙古各部，朱棣特意安排部隊以戰斗隊形行軍，神機營的火炮不時進行示威性射擊。途經漠南時，朱棣接見了前來歸附的蒙古部落首領，賜予綢緞、茶葉等物，并警告他們不得與瓦剌勾結。這些部落紛紛表示臣服，有的還主動提供向導和補給。

同時，敗逃的瓦剌內部開始分裂。馬哈木在土剌河收攏殘部時，發現僅剩不到萬人馬，戰馬損失尤其嚴重。太平、把禿孛羅對其指揮多有怨言，三部之間的矛盾逐漸公開化。為保存實力，馬哈木不得不派使者向明朝請和，承諾恢復朝貢。次年（1415年）春，瓦剌使團帶著良馬、貂皮等貢品抵達北京，正式向明朝稱臣。

這場戰役對明朝邊防戰略產生深遠影響。神機營在實戰中的出色表現，促使朱棣進一步擴大火器部隊規模。此后十年間，明朝在北疆修筑了更多堡壘，形成以火器為核心的防御體系。而對蒙古諸部來說，此戰打破了瓦剌獨大的局面，客觀上為韃靼部復興創造了條件，也為后來蒙古各部的權力重組埋下伏筆。