燕王朱棣十几万大军，包围济南城三月有余，连攻不下。诸策失效之后，燕军便堵堰城外各条溪涧及河流水源，准备积水灌城。济南城内守军、人民大惧。铁铉镇定自若，说：“别害怕，我有计破贼，不出三日，贼兵必遁！”
铁铉安排“诈降计”。他派壮士安装大铁板在城门圆拱上端，又让守城士卒大哭哀嚎“济南城快被淹了，我们就要死了！”不久，尽撤楼橹防县，派城中百姓长者代替守城军做使者，到燕王大营跪伏请降：“朝中有奸臣进谗，才使得大王您冒危险出生入死奋战。您是高皇帝亲儿子，我辈皆是高皇帝臣民，一直想向大王您投降。但我们济南人不习兵革，见大军压境，深怕被军士杀害。敬请大王退师十里，单骑入城，我们恭迎大驾！”
燕王朱棣不知是计，闻言大喜。出征数日，燕兵疲极，如果济南城降，即可割断南北，占有整个中原地区。因此，朱棣忙令军士移营后退，自己高骑骏马，大张黄罗伞盖，只带数骑护卫，过护城河桥，径入城内准备受降。
城门大开。守城明军都齐聚于城墙上往下观瞧。燕王朱棣刚进城门，众士卒高呼“千岁到！”预先置于门拱上的大铁扳轰然而落。幸亏朱棣命大，铁板稍落早了零点几秒，正砸中燕王所骑马头。燕王滚落于地，大惊失色，身边卫士忙给他换一匹新马，一行人掉转马头就往外跑。济南守卒连忙牵挽护城河浮桥，可惜年久桥重，费了牛劲只拉挽起一米多高，朱棣和一行卫士纵马腾逸而去。
狂怒之下，朱棣又挥兵攻城。铁铉伏于城头，大骂朱棣反贼。燕王大怒，搬来数门火炮对城内一顿狂轰。危急关头，铁铉亲书高皇帝朱元璋神牌，悬于四城之上。见有朱元璋神牌，燕兵不敢再用炮击，济南城得以保存。
相持之间，铁铉又常常出其不意，派骁勇军卒白天黑夜从城内突出，骚扰袭击燕兵，搞得这群疲惫之师无可奈何，多被杀伤。
朱棣愤甚，计无所出。和尚道衍劝言，认为燕兵师老兵疲，应回北平再图后举。朱棣听劝，班师回北平。
铁铉及明将盛庸等乘胜追击，收复德州等地，兵威大振。
建文帝下诏，擢铁铉为兵部尚书（齐秦当时已卸任），协助盛庸准备北伐燕军。
1400年10月，建文帝下诏，命大将军盛庸统平燕诸军北伐。副将军吴杰进兵定州，都督徐凯等人屯于沧州。
11月，燕王朱棣听说盛庸向北平方向进发，便想先发制人进攻沧州，又怕明军有备，就对外扬言要出征辽东的明军。
燕军将士听说又要大冷天去辽东作战，皆郁郁不乐。行至通州，张玉、朱能等将入帐，劝说燕王：“现在大敌当前，我们却提军远征辽东苦寒之地，士卒离心，恐怕师出不利。”
朱棣屏去旁人，对二将说：“现在明将盛庸驻军德州，吴杰、平安守定州，徐凯和陶铭在沧州筑固城池，相互倚持为犄角之势。我们现在出军，实际上是要去奇袭沧州。德州、定州城坚墙厚，肯定不能攻下。沧州城溃塌日久，现在天寒地冻，明军筑固城墙的速度肯定很慢，乘其懈怠，我们袭之必取！”
两将闻言，恍然大悟。
燕兵至天津，过直沽，朱棣忽然下令军队转而南行。燕兵大多不明就里，纷纷询问：“我们不是向东征辽吗，怎么又向南进军呢？”燕王朱棣装神弄鬼，一脸神秘，答道：“夜间我见有白光两道，自东北指西南，占卜一卦，卦象表示‘南行大吉’”。于是，他指挥燕兵急行军，一昼夜疾行三百华里，黎明时分，已至沧州城下。
明将徐凯一直听谍报说朱棣带兵去打辽东，因此正不紧不慢地督促明兵抬石头、和泥灰修筑城池。燕兵突至城下，明军才发觉敌至，大多兵士股栗哆嗦，吓得连甲胄都来不及穿。
燕兵不顾疲劳，肉薄登城，不久陷城。
徐凯等将慌忙逃跑，半路又遭早已埋伏好的燕兵截击，数将皆被活捉，明军被燕军斩首一万多，投降的数万明兵，皆为燕将谭渊下令活埋。
1400年年底，朱棣又命驻扎于直沽的燕兵乘大船顺流而北，满载缴获的辎重财物。他本人亲自率军循河而南，屯军馆陶，出掠大名，烧毁明军军饷无数。不久，燕王又率军至汶上，掠济宁。明将盛庸、铁铉避其锋芒，跟蹑其后，在东昌扎营。明军先锋将孙霖刚到滑口，即被燕军袭败，孙霖败走。
燕军大集东昌，准备向明军发动攻击。
盛庸、铁铉二人闻燕军将至，忙宰牛犒功将士，誓师励众，做足了“思想工作”，准备背城决战。
由于燕兵屡胜，已有轻敌之心。望见明军出城列阵，燕兵一哄而上。明军早已埋伏的火器、毒弩一时齐发，燕军死伤甚众。此时，明将平安又率所部明军杀到，与盛庸合军，双方大战起来。
燕王朱棣故伎重施，他以精骑冲左掖，突入明军中坚。明军厚集，围朱棣数重，把这位燕王天天包围起来。幸亏燕将朱能等人率劲兵轮番攻击明军阵地东北角，使盛庸等人撤西南角兵士前击抵截，包围燕王的明军稍稍减缓。
朱能率精骑突入阵中，奋死力战，保护朱棣冲出重围。燕将张玉不知燕王已安全撤走，拼死突入明军阵中想救主，最终力竭，被明军连人带马剁成数截。
明军乘胜进击，斩杀燕兵一万余人。燕兵大败，明军尾随追击，又击杀燕军数万。
此次大战，如无建文帝先前不许加害燕王的诏书，朱棣再有十条命也已报销掉。“是役也，燕王数危甚，诸将奉诏，莫敢加刃”。朱棣自己也得便宜卖乖，每战皆挺身而出，与明军短兵相接。加上他本人精于骑射，每次燕兵大败，他常常一人一骑殿后，搭箭发矢，毙伤追兵成百上千，使所部能安然得脱。这种不公平竞争，明兵明将只得自认倒霉，望人兴叹。
逃跑途中，朱棣儿子朱高煦又及时驰援，击退盛庸追兵。不久，燕将朱禄等人也赶到，众人合军，部伍稍整。听闻大将张玉败没，燕王痛哭，叹道：“胜负常事，不足虑。艰难之际，失此良辅，殊可悲恨！”日后朱棣称帝，以张玉为靖难第一功臣，追封荣国公、河间王。
建文三年春正月（1401年2月），东昌大捷消息传来，建文帝大喜，入太庙祭祖，告东昌大捷，并赏赐银物，褒奖将士。
