成祖击败阿噜台之后，凯旋回京。过了一年，阿噜台派遣使臣贡上马匹，并表示愿意称臣。成祖认为他弃暗投明，特意命户部收下贡物，并厚赏来使，派他回去传诏。这时瓦剌部的酋长玛哈木杀死鞑靼可汗本雅失里，另立答里巴为汗，自己专权。阿噜台又派人来报，并表示愿意和朝廷共同讨伐。成祖大喜，封阿噜台为和宁王，接着下诏亲征，仍带着柳升、郑亨、陈懋、李彬等将领，太孙瞻基这次也随驾出发。成祖对左右说道：“朕的长孙聪明英睿，智勇过人。如今肃清沙漠，要让他亲自体会其中的艰苦，才知道内治外攘有多少难处！”左右称颂不已。
这一年是永乐十二年，车驾二月起程，四月到达兴和，五月出塞，六月到达三峡口。前锋刘江遇到几千名敌骑，一鼓击退。成祖料定敌人必定大举进攻，于是严阵以待。果然到了忽兰忽失温的时候，忽然望见前面尘头大起，无数蒙兵蜂拥而来。后面的麾盖下有两个人，一个是鞑靼可汗答里巴，一个是瓦剌酋长玛哈木。成祖登高指挥，命柳升、郑亨等攻打敌兵中坚；陈懋、王通攻打右翼；李彬、谭青、马聚攻打左翼。三军奉命进攻，火炮齐发，声震天地。玛哈木领着蒙兵，左拦右阻。郑亨身中数箭退下阵来。陈懋、王通也被蒙兵截住，不能取胜。李彬、谭青等人与敌兵酣斗，死伤相当。都指挥满都因受伤过重，死在阵中。成祖见各队相持不下，便从高处跃下，亲自率领铁骑冲阵，横扫敌军。将士们见主子亲自拼杀，也不得不舍命争先。玛哈木最终败阵而逃，部下全部溃散。明军追过两座高山，直达土拉河，斩杀数千名敌兵。成祖还想穷追，经皇太孙一再劝阻，才班师回京。后来听说，阿噜台的百姓越来越多，兵力也越来越强盛，阿噜台居然桀骜起来，每次遇到明使都要谩骂，有时甚至把明使扣留下来。成祖一再劝谕，阿噜台全然不改，反而派人入侵边疆。
警报传到京师之后，成祖认为胡人反复无常，必为后患，决心迁都北京。永乐十九年春，车驾北迁，成祖下旨大赦天下，接着继续商议北征。兵部尚书方宾一再上疏，说粮食储备不够，不便兴师。成祖就召户部尚书夏原吉来问。夏原吉也说边关的储备，只够供应把守的士兵，不足以供给大军，并说连年征战，储备已经损耗了八九成，这时候应该休养生息。成祖不肯听从，仍然决定第二年二月亲征。
光阴易过，转眼又是春天。成祖率军起程，到达鸡鸣山。后来得知阿噜台远逃，将士们就请求率兵深入。成祖不肯答应，带兵徐徐前进，一路过去，都没看见什么敌骑，如入无人之境。成祖命将士们围场打猎，或者比赛骑射，赐宴作乐，并亲自作了一首《平戎曲》，让士兵们传唱。五月中旬，成祖才度过偏岭，来到西凉亭。西凉亭是元朝皇帝巡幸的地方，现在却萧条冷寂，满目疮痍。成祖感慨地说：“元朝修建这亭子，本来是想留给子孙万代的，谁能料到会有今天？古人常说天命无常，一定要有德的皇帝才能保得住江山，否则万里江山也会化作过眼烟云，何况是区区一个亭子呢。”随后下令禁止砍伐树木。
六月的时候，成祖到达威远，开平的探子来报，阿噜台派兵攻打万全。将士们纷纷请求分兵。成祖说：“阿噜台担心我会直捣他的巢穴，才假装出兵，牵制我的兵力。要是我分兵支援的话，不是正中他的诡计吗？”接着继续前进，敌人果然逃走。大军接着进驻沙胡原，捉住了阿噜台的部下，一一讯问。据说阿噜台穷途末路，家眷都不顾了，独自向北远逃了。成祖这才命都督朱荣、吴成等人尽收阿噜台丢弃的牛羊驼马，指日班师。
第二年七月，北方又传来阿噜台侵略边境的消息，成祖笑着说：“朕就应该在塞外驻兵，以逸待劳。”接着又命皇太子监国，自己再次亲征。到了沙城，阿噜台的属下知院阿失铁、古纳台等人都带着妻儿前来投降。成祖问起阿噜台的情况，阿失铁说：“今年夏天阿噜台被瓦剌打败，势力已经衰弱。现在听说大军前来，当然远逃了。”成祖非常高兴，封他为千户侯，后来又在上庄堡收降了鞑靼王子，封他为忠勇王，赐名金忠，接着下令南归。
永乐二十二年，也就是成祖皇帝末年，探子来报阿噜台侵扰大同，忠勇王金忠请成祖发兵相救，于是成祖第四次大举北征。成祖率领兵马一直走到隰宁，都不见有敌人的踪迹，心里很不高兴。后来听说阿噜台已经逃到答兰纳木儿河，成祖不愿无功而返，决定进入答兰纳木儿河。一路上白骨累累，成祖命柳升带着将士将它们埋葬。成祖命前锋金忠、陈懋等先行出发，自己作为后应。金忠、陈懋等人到了答兰纳木儿河，只见满眼荒芜，不但没有敌寨，就是车马的痕迹也是一概漫灭，不见一点端倪。成祖又派张辅等人在附近山谷搜索，方圆三百里，只有漫天黄沙，不见一丝人烟。成祖叹息了一声，下令回京。
途中路过清水源，只见道旁有几十丈高的石崖，成祖就命大学士杨荣、金幼孜将功劳刻在那石头上，并说：“要让后世知道朕曾经路过这里。”铭刻完毕之后，成祖的身体稍有不适，就问内侍还有几天才能到达北京。内侍说，八月就可以到了。成祖又和杨荣说：“东宫已经锻炼很久了，想必政务早已烂熟于心，朕回到京城后，军国重事就交给他裁决吧。朕想安享晚年了。”
成祖到达苍崖的时候，已经病得很重了，夜里都不能安睡。一闭上眼睛，就看见无数冤鬼前来索命。大军走到榆木川，成祖已经奄奄一息，无药可救了。他知道自己不行了，就召英国公张辅入内，表示传位于皇太子高炽。说完，喊了几声痛，当即驾崩。张辅与杨荣、金幼孜商议之后，认为不便发丧，于是瞒着众人，继续前行。暗中派少监海寿禀报太子，太子派太孙前去迎接，太孙到了军中，这才决定发丧。行到郊外后，太子将棺椁迎入仁智殿，举行丧礼。成祖享年六十五岁，尊谥为文皇帝，庙号太宗。嘉靖十七年的时候，又改庙号为成祖。太子朱高炽即位，以下一年为洪熙元年，史称仁宗皇帝。