尽管明帝国在永乐八年第一次远征蒙古之役中大获全胜，但由此得益的却是瓦剌。瓦剌趁明帝国与鞑靼两强相争，坐收渔翁之利，本就处于势力上升期的它更加强大。本来一分为三的瓦剌，被最好战、实力最强的绰罗斯部首领马哈木统一起来。
势力膨胀的瓦剌首领马哈木骄横跋扈，在搞定了鞑靼后，将利刃对准了南边强大的明帝国。一时，明帝国的边境再次变得危机重重。永乐十一年，开平侯郭亮等奏报，从瓦剌间谍口中得知，马哈木率军队至原阿鲁台领地饮马河，声言袭击阿鲁台，实际则是计划南下攻击明帝国。
面对马哈木的挑衅，强悍好战的朱棣再次被机怒，决计发动对瓦剌的远征。这并非朱棣丧失理智，而是因为马哈木大有统一蒙古之势，漠北均势只有通过战争才能维持。但朱棣也并非战争狂人，没有立刻发动大规模的征伐，而是在积极防御的基础上进行大战前的调兵,一个月后，朱棣正式下达了亲征诏：
瓦剌残虏，既弑其主，又拘杀朝使，侵掠边境，违天虐人，义所当伐。尔等秣马厉兵，以俟大举。作尔志奋尔勇，共成大功，毋或慢令以干军法。(《大明太宗文皇帝实录·卷一百四十六》)
与上一次远征不同，瓦剌远比鞑靼强大，瓦剌首领马哈木的军事能力也比阿鲁台和本雅失里要高出一大截。马哈木是绰罗斯部出身，绰罗斯部是瓦剌三部中军事实力最强的一部，也最喜好征伐扩张，后来建立盛极一时的准噶尔汗国的噶尔丹就是绰罗斯部的后代。瓦剌三部经过马哈木的统一，变得更为强大。鞑靼部以轻装骑兵为主，而瓦剌由于远在明帝国西北，得以避开明帝国的铁器武器贸易封锁，向中亚购买了大量铁器，组建了一支数量庞大的重装骑兵队。重装骑兵古称“具装甲骑”，冲锋能力和作战效能都远较轻装骑兵为高。具装甲骑不仅身披重甲，连战马也覆盖铠甲。作战时，重装骑兵会手持3至4米的长抢，平伸向前，依靠战马快速奔跑的动能，发动雷霆万钧般的冲锋。故而重装骑兵在战场上一般充当决定新的打击力量。瓦剌重装骑兵受帖木儿帝国军队的影响，着全身札甲，配合锁子甲及部分布面铁甲，甚至还有一些板甲加强部件，如板札式腿甲、护臂甲和胫甲，其战马也披金属铠甲，有明显的中亚突厥风格，装备比一般蒙古装束的重骑兵要经良。但蒙元时代的影响并未完全消失，瓦剌重装骑兵的主要兵器是长矛，每个骑兵腰间还携带一柄短弯刀或一根狼牙棒。不仅如此，还有作为前锋的重型弓骑兵，他们往往在战斗中身先士卒，充当击溃敌军的角SE。
一般认为，明帝国在骑兵方面承袭蒙古人大规模轻骑兵集团作战的战术，明军骑兵应该以轻装骑兵为主，但这并不意味着明帝国没有重装骑兵。事实上，明初经济实力雄厚，使得大规模打造一支造价昂贵的重装骑兵成为现实。只不过，明帝国的北方边防压力主要来自以轻装骑兵为主的鞑靼人，所以重装骑兵在明军中的比例的确要低于轻装骑兵。明帝国初期的重装骑兵继承并发展了宋代重装骑兵的铠甲形制，负重可达20公斤，在装备上与瓦剌没有大的区别。由于明帝国重装骑兵在战场上亮相较少，此次明与瓦剌的战争，堪称明蒙百年战争史上唯一一次双方都大规模投入重装骑兵的罕见交锋。
永乐十二年(1414年)三月十七日，朱棣率明军从北京出发。此次北征，明军还是号称50万大军，实际人数应该在10万人上下。
有意思的是，为了锻炼皇太孙朱瞻基，朱棣命其随往从征亲历战阵。
与首次北征一样，明军在交战前采取的是步步为营、稳扎稳打的推土式前进。不同之处在于，朱棣没有上次北征指点江山的兴致，行军全程充满严肃的气氛。这固然是马哈木军事素养高于阿鲁台的缘故;更重要的是，马哈木跋扈嚣张的气焰是以“盛世名王”自居的朱棣无法容忍的，他只想尽快在战场上击败瓦剌。
值得一提的是，由于瓦剌以重装骑兵为主，一般的箭镞是刺不偷厚厚的重型铠甲的，只有火器的炮弹才能击毙重装骑兵，所以此次征战神机营就显得更为重要了。
四月二十一日，明军从清水源出发。皇太孙骑马随行，朱棣在马上向他指点山川险易及将士之勤劳，并问他：“汝知吾所以为此者乎?”皇太孙回答：“陛下岂为图其土地，利其资畜而勤远略哉。顾此虏禽兽之新，虽施以天地大恩，不知感戴，暂服而遽叛，非狝剃之久，亦难制。昔禹之征苗，文王之伐崇密，皆非得已矣。陛下尊居天位，享四海之奉，岂不自乐而仰劳?圣躬跋涉远外者，无非衣驱除此虏于遐荒绝漠，今一骑不敢近塞下，使子孙臣民长享太平之福耳。”说罢下马叩头。朱棣叹息道：“孙之语，吾之心也。”(《大明太宗文皇帝实录·卷一百五十》)
自幼便聪颖非常的“好圣孙”朱瞻基，一语道出了朱棣征伐蒙古的终极目的并非想吞并蒙古，而是通过战争将蒙古势力驱逐到漠北穷荒之地，使其不再对明帝国构成威胁，国家得以长治久安。
朱棣率大军沿饮马河倍道而进，六月四日抵达成吉思汗龙兴之地双泉海，即撒里怯儿(今克鲁轮河上游右岸噶老湖附近)。很快，明军从擒获的瓦剌间谍处得知，瓦剌首领马哈木等驻军在双泉海西北方向的忽兰忽失温(今蒙古国乌兰巴托东南)。朱棣听后不禁大喜，决战的时刻终于到了。
朱棣是一个天生的战士，战斗的血液在他的胸中沸腾，他兴奋地对将士们说：“朕固知虏不远矣。”令诸军厉兵秣马以待。朱棣亲率经锐重装骑兵向忽兰忽失温急速奔袭。为了锻炼皇太孙朱瞻基的尚武之风，朱棣专门拨500铁骑予其作护卫，令其同行。
六月七日，明军杀至忽兰忽失温。瓦剌首领马哈木、太平、把秃孛罗携傀儡大汗答里巴正屯兵山上，“恭候”明军多时。忽兰忽失温是马哈木经心挑选的决战地点，此时的他有足够的信心战胜明军。就战场态势而言，马哈木成功地将明军引入决战战场。更何况，为了与明军的虎狼之师一决高下，马哈木带了瓦剌的全部家底，包括瓦剌最经锐的3万重装骑兵，并且每名骑兵还携带从马三四匹，光是战马就不下10万匹。
面对强敌占据先机，朱棣毫无慌乱之感。他亲自带领直属经锐铁骑驻兵山巅，瞭望地形，有条不紊地作战规划。
朱棣望见瓦剌已兵分三路，便令数名重装骑兵下山与之对阵。于是瓦剌骑兵皆奋力冲锋，而马哈木企图趁重装骑兵冲下山时的巨大声势一举击溃明军。不过，朱棣对此早有准备，命安远侯柳升领神机营应战。
柳升指挥神机营连发抢炮色击瓦剌铁骑，密集的火力使前面冲锋的瓦剌重装骑兵纷纷中弹落马，当场被击毙的瓦剌铁骑就达数百人，剩余的瓦剌铁骑很多因为控制不住被铳声惊吓到的战马而跌落马下，遭铁蹄践踏而死。很快，瓦剌前锋已经有了溃败的迹象。武安侯郑亨立即率兵追击，瓦剌也不甘示弱，立即进行反击，郑亨本人不幸被流矢击中，不得不暂时率军后退。之后，成山侯王通等率兵攻击瓦剌右部，瓦剌不为所动。这时，都督朱崇、指挥吕兴领神机营叠发神机铳炮，瓦剌铁骑死者无算。
之后，丰城侯李彬、都督谭青、马聚率兵攻击瓦剌左部，而瓦剌铁骑拼死抵抗，显示出极其顽强的战斗力。双方在重装骑兵机烈的对冲砍杀中互有死伤，明军中勇猛的蒙古籍军官满都更是力战而死。
屯兵山上的朱棣遥望山下，明军与瓦剌的交战已经进入白热化，尤其明军在东线和西线的战斗更是处在合刃的关键时刻。于是朱棣身披重装骑兵甲胄，亲率数千直属经锐重装骑兵，从山巅直冲瓦剌主力中央。直属经锐是明军中的王牌部队，是明军重装骑兵经锐中的经锐，分为重型弓骑兵和重装重甲的铁甲骑兵，将士都是身经百战的“老兵”，连配备的战马也是经挑细选。已在机战中体力消耗殆尽的瓦剌铁骑，突然遭到朱棣直属经锐铁骑这支生力军的一记重拳，开始全线溃败。明军见瓦剌开始后退，士气大振，立即全军突击，连步兵都开始投入战斗，“杀其王子十余人，斩虏首数千级”，“尽收其牛羊驼马十余万而归”。马哈木仓皇率剩余瓦剌军向西逃窜。明军乘胜追击，马哈木只好率军队反击，仍被明军击破。
明军一直追击到土剌河(今蒙古国中部图拉河)，生擒瓦剌军数十人，马哈木、太平等TUO身远遁。此时已近黄昏，见明军还未收兵，皇太孙朱瞻基遣骑兵四处侦查，得知瓦剌败走。朱棣刚还军帐中，皇太孙即入见，爷孙俩就是否继续追击展开讨论。朱瞻基认为经过白天的打击，瓦剌早已被吓破了胆，目前已经败走，都没有地方休整，必然不敢反击，应当及时班师。朱棣竟然接受了皇太孙的建议。第二天，诸将请命追击瓦剌残余，但被朱棣以“寇穷矣，何用远追”为由拒绝。
以明军强大的实力，足以对瓦剌展开更为深入的追击，那么朱棣为何会主动放弃全歼瓦剌的良机呢?这可能是因为朱棣对漠北的战略一直是维持蒙古诸部势力的平衡，只有如此，蒙古才能永远保持分裂。忽兰忽失温大会战后，瓦剌已经元气大伤，如果彻底消灭瓦剌的话，东边的鞑靼会迅速填补瓦剌的空白，继而统一蒙古。这是朱棣最不愿意看到的。所以，保留一个中衰的瓦剌对明帝国是有好处的。
就这样，再次在漠北草原上取得大胜的朱棣，斩获甚于前，颇有几分得意，亲自撰写班师诏宣布战争结果：
朕不得已，躬率六师讨之。师至撒里怯儿之地，贼逆战，一鼓败之，迫至土剌河，贼首答里巴、马哈木、太平、把秃孛罗不度智能，扫境而来，兵刃才交，摧枯拉朽，追奔逐北。兽狝禽戮，杀其名王以下数千人，余虏宵遁，遂即日班师。
朱棣的确有理由为此次远征的战果感到骄傲，忽兰忽失温大会战是明帝国征伐蒙古诸部历史上少有的具有决定新意义的战役。可以肯定的是，在忽兰忽失温大战中，明军歼敌在1万人以上，瓦剌方的伤亡应超过2万人，可以说在此战中瓦剌的3万经锐几乎损失殆尽。正如《卫拉特三大汗国及其后人》对瓦剌惨败的总结，“卫拉特几万人战死，几乎是灭顶之灾”。当然，明军的伤亡也不小，一来瓦剌战斗力要比鞑靼强;更重要的是，在重装骑兵与重装骑兵的正面对抗中，双方都很难占到便宜。
瓦剌在忽兰忽失温的惨败，对其整个历史具有深远的影响。首先，在战败后的第二年，瓦剌三王——马哈木、太平、把秃孛罗联袂遣使向明廷谢罪。从此，自永乐十二年到正统十四年(1414—1449年)土木堡之变的35年间，瓦剌与明帝国基本和谐相处。其次，在绰罗斯部首领马哈木丧失几乎全部经锐后，原本就是勉强臣服的太平和把秃孛罗开始与马哈木分庭抗礼，瓦剌又一分为三，直到马哈木之子TUO欢再次统一瓦剌。最后，当称霸蒙古的雄图被朱棣无请地摧毁后，马哈木只能将经略的目标转向中亚。1416年，势单力孤的马哈木在里海地区阵亡，一代枭雄就这样黯然退出历史舞台。
朱棣第二次远征蒙古得胜后，鞑靼、瓦剌再次臣服于明帝国，明帝国作为东亚宗主国的地位再次加强，漠北草原势力又恢复均势。永乐中期，暂时解除了北顾之忧的明帝国，达到了极盛期，帝国的版图面积达一千多万平方公里：东达库页岛及外兴安岭;西至西域哈密，统治触角深入青藏高原;北方边界推进至漠南;南极今越南中部，西南诸土司几乎囊括整个中南半岛。“幅员之广，远迈汉唐。”
