元仁宗死后，元英宗即位。当时，权臣铁木失儿还未马上下台，他 “惦记”上元武宗的二儿子图贴睦尔，把已经远贬琼州的王子又往南迁过海至海南岛边上。泰定帝即位后，他对元武宗的儿子其实很不错，把图贴睦尔迁回建康，封为怀王。不久，又迁至江陵。

燕帖木儿让人密迎怀王于江陵的同时，又密令河南行省平章伯颜挑选精兵，护卫怀王一行前来大都。伯颜虽然只是行省地方官员，胆大能决，孤注一掷，杀掉持心不一的河南行省与自己差不多平级的曲烈等人，在汴梁迎接自江陵而来的怀王，扈从北行。怀王知机，虽然还未坐上帝位，他马上下令任命燕帖木儿知枢密院事，统管军政大务。

燕帖木儿确实有军事天才，在喜动伯颜迎怀王北来的同时，又派出其弟撒敦率军守住居庸关，其子唐其势屯军蒙古北口。很快，上都诸王协商后统一了意见，一致拥护泰定帝的儿子天顺帝，分道出兵进攻大都。双方正式开打。

9月13日，身在大都的图贴睦尔即位，改元天历，是为元文宗。本来他还推辞，表示说：“我大兄（周王）远在朔漠，我哪敢紊乱帝位的继承顺序呢！”燕帖木儿进劝：“人心向背之机，间不容发。一或失之，悔之无及！”确实，上都诸王及倒剌沙已拥泰定帝之子天顺帝继位，如果怀王不及时称帝，大都一方连“旗号”都没得打。如果这样，正统一方打“反贼”一方，优劣顿判。特别好玩的是，双方乱哄哄大打出手之余，元文宗下诏加封关羽为“显灵义勇武安英济王”，临时抱关老爷大脚，可能也是病急乱投医，希望关爷冥冥之中保佑自己。甭说，这招儿还真“管用”，关爷确实“保佑”元文宗一方取胜。

燕帖木儿一方在战争开始之初连连失利，居庸关、紫荆关相继为上都诸王军队攻破，最终逼得燕帖木儿本人亲自出战。这位爷一个顶一万，他先后打败泰定帝的侄子梁王王禅，在通州打败了从辽东赶来的营王也先贴木儿（蒙元叫这名字的很多），又在枣林一役击溃从河南过来的阳翟王太平。即便如此，上都诸王仍旧很齐心协力，晋宁（山西临汾）、河中（山西永济）、武关等地相继为上都一系诸王攻取，而且云南、四川、陕西等行省仍旧效忠上都的天顺帝。

这期间，已被封为太平王、中书右丞相的燕帖木儿越战越勇，身先士卒，极大鼓舞了大都一方的士气。元文宗不放心，想亲自出城督战。燕帖木儿单骑见帝，劝说道：“陛下出，民心必惊，凡平灭贼寇事请陛下一任于臣，望您马上还宫，以安百姓！”于是，燕帖木儿奋起神勇，在战斗中跃马持枪，手杀数十人，大都军也“斩首数千级，降者万余人”。

元文宗担心这位大臣有个好歹，派人送御酒赏赐，并劝告：“丞相每战皆亲临矢石，万一有闪失，国家怎么办！此后只可凭高督战，不必亲自冲锋陷阵。”

燕帖木儿此时一腔忠勇，表示：“臣以身先之，为诸将做榜样。如有敢迟疑者军法从事。如果派任务给诸将执行，万一军溃，悔之何及！”

在这位丞相的血战下，上都诸王忽剌台等人相继败于燕帖木儿手下，被俘后均在大都闹市问斩。

胶着期间，燕帖木儿的叔父、时任东路蒙古元帅的不花贴木儿说动了本来一直观望犹疑的蒙古宗王齐王月鲁贴木儿，率生力军突袭上都。上都诸王大多在外面与大都一系军队交战，防守空虚，城池很快被攻破。倒剌沙肉袒持皇帝宝玺出降，仍不免被戮的命运。

上都城陷后，泰定帝的儿子、时年九岁的天顺帝被元文宗密诏杀掉，泰定帝皇后八不罕被迁于东安州（河北涿州）后也被绞死。至此，元文宗坐稳龙椅，上都诸王失去了拥护“目标”，只得承认失败现实。虽然诸王余波仍存，却无法再做大的折腾（上都一派诸王秃坚在云南倒是闹腾了四年才被镇压）。

大功成后，元文宗对燕帖木儿感激不尽，给这位功臣以下一大堆官职爵号：

复拜中书右丞相、监修国史、知枢密院事、领都督府龙翊侍卫亲军都指挥使司事，就佩元降虎符，依前开府仪同三司、上柱国、录军国重事、答剌罕、太平王。