- Cuối năm 1427, vua Minh Tuyên Tông điều viện binh cứu Thành Sơn hầu Vương Thông, sai An Viễn hầu Liễu Thăng mang 10 vạn quân tiến sang từ Quảng Tây; Chinh Nam tướng quân Thái phó Kiềm quốc công Mộc Thạnh mang 5 vạn quân từ Vân Nam kéo sang. Đây là hai tướng đã từng sang đánh Việt Nam thời nhà Hồ và nhà Hậu Trần. Theo các nhà nghiên cứu, con số 15 vạn của cả hai đạo quân có thể là nói cao lên, trên thực tế nếu cộng số các đạo quân điều động từ các nơi thì tổng số chỉ có khoảng gần 12 vạn quân và cánh quân chủ lực là của Liễu Thăng.
- Theo Minh sử thì tới cuối tháng 1 năm 1427, nhà Minh điều động từ Bắc Kinh, Nam Kinh và khắp các tỉnh miền nam Trung Quốc khoảng 70.000 quân. Để cung ứng lương thảo, tại các tỉnh Quảng Đông, Quảng Tây hễ nơi nào có dư lương thực đều phải tức tốc vận chuyển về để cung ứng cho đạo quân viễn chinh. Tới cuối tháng 3, nhà Minh lại điều thêm 2.200 vệ binh từ Vũ Xương và Thành Đô, 10.000 quân tinh nhuệ từ Nam Kinh và 33.000 quân từ các tỉnh miền nam Trung Quốc đặt dưới quyền Liễu Thăng và Mộc Thạnh.
- Nghe tin có viện binh, nhiều tướng muốn đánh để hạ gấp thành Đông Quan. Tuy nhiên, theo ý kiến của Nguyễn Trãi, Lê Lợi cho rằng đánh thành là hạ sách vì quân trong thành đông, chưa thể lấy ngay được, nếu bị viện binh đánh kẹp vào thì nguy; do đó ông quyết định điều quân lên chặn đánh viện binh trước để nản lòng địch ở Đông Quan.
- Đầu tiên, ông ra lệnh dời người ở những vùng địch đi qua như Lạng Giang, Bắc Giang, Quy Hóa, Tuyên Quang, để đồng không để cô lập địch. Biết cánh Liễu Thăng là quân chủ lực, ông sai Lê Sát, Lưu Nhân Chú, Lê Văn Linh, Đinh Liệt mang quân phục ở Chi Lăng, lại sai Lê Văn An, Nguyễn Lý mang quân tiếp ứng. Đối với cánh quân Mộc Thạnh, ông biết Thạnh là viên tướng lão luyện, sẽ ngồi chờ thắng bại của Liễu Thăng mới hành động nên hạ lệnh cho Phạm Văn Xảo và Trịnh Khả cố thủ không đánh.
- Tướng trấn giữ biên giới là Trần Lựu liên tục giả cách thua chạy từ Ải Nam Quan về Ải Lưu rồi lại lui về Chi Lăng. Ngày 18 tháng 9 âm lịch, Liễu Thăng đuổi đến Chi Lăng. Trần Lựu lại thua, Thăng đắc thắng mang 100 quân kị đi trước. Ngày 20, Thăng bị phục binh của Lê Sát, Trần Lựu đổ ra chém chết. Tới tận ngày 25 tháng 12 năm 1427, vua Minh mới nhận được tin Liễu Thăng bị giết.
- Các tướng thừa dịp xông lên đánh địch, giết hơn 1 vạn quân, chém được Lương Minh, Lý Khánh tự vẫn. Tướng Minh còn lại Hoàng Phúc, Thôi Tụ cố kéo về thành Xương Giang thế thủ nhưng đến nơi mới biết thành đã bị quân Lam Sơn hạ, phải đóng quân ngoài đồng không. Lê Lợi sai Trần Nguyên Hãn chặn đường vận lương, sai Phạm Vấn, Nguyễn Xí tiếp ứng cho Lê Sát cùng sáp đánh, giết 5 vạn quân Minh ở Xương Giang. Hoàng Phúc, Thôi Tụ và hơn 3 vạn quân bị bắt. Do quyết tâm không quy hàng, Thôi Tụ bị giết. Hoàng Phúc bị bắt khi định chạy theo ngả Chi Lăng, y cùng quẫn định tự sát thì thuộc hạ quỳ xuống van xin ngăn lại, Lê Lợi biết chuyện khen ngợi, tới ngày 17 tháng 12 năm 1427 thì cho người thả về Trung Quốc theo đường Long Châu, tỉnh Quảng Tây.
- Mộc Thạnh nghe tin Liễu Thăng thua to nên kinh hồn, bèn rút chạy. Phạm Văn Xảo, Trịnh Khả đuổi theo chém hơn 1 vạn quân, bắt sống 1000 người ngựa. Theo Minh thực lục, ngày 14 tháng 12 năm 1427, Mộc Thạnh cùng thuộc hạ chạy tới Cao Trại, Thủy Vĩ thì bị quân Lam Sơn phục kích cả trên sông lẫn trên bờ, phải vất vả làm lại thuyền mới đi tiếp được.
