尊攘派的代表人物有吉田松阴、高杉晋作、大久保利通、木户孝允、西乡隆盛、横井小楠、大村益次郎等，主要集中在长州（今山口县）、萨摩（今鹿儿岛县）、土佐（今高知县）、肥前（今佐贺县和长崎县）等西南部强藩。这些藩国在历史上与幕府矛盾较深，接受海外影响较早，输入近代科学技术和拔擢中下级武士都比较积极。
但由于尊攘派对幕府尚存幻想，没有明确提出推翻幕府统治要求，并受到幕府军队与西方列强的严厉镇压，最终失败。尊王攘夷运动失败后，许多有识之士认识到，要想改变日本现状，实现富国强兵，必须推翻幕府统治。于是，尊王攘夷运动演变为倒幕运动。一场推翻封建幕府、争取民族独立的战争迫在眉睫。
1865年12月，长州藩讨幕派高杉晋作率领以农民为主体的“奇兵队”击败保守派，夺取了藩政权。随后，萨摩藩讨幕派西乡隆盛、大文保利通等人也控制了藩权。不久，这两股力量结成讨幕联盟，成为全国讨幕运动的核心。他们一方面实行政治、经济改革，以调动农民、商人和中下级武士的积极性；另一方面，在军事上武装自己，购置大量的西方先进武器，与幕府军队抗衡。倒幕派的势力迅速壮大，武装倒幕的根据地又称为西南四强藩：长州，萨摩，土佐，肥前。
1867年1月30日，压制倒幕派的孝明天皇去世，不满15岁的明治天皇即位，明治天皇虽然年幼，可颇有见识，对幕府把持朝政也十分不满，决定与倒幕派联合，将统治权从德川幕府手中夺回来。宫廷形势开始向有利于倒幕派方面发展。1867年9月，萨摩、长州、安艺三藩结成倒幕同盟，之后，三藩代表在京都集合，明治天皇向倒幕同盟下讨伐幕府密诏，倒幕同盟取得天皇讨幕密诏后，在京都召开秘密会议，决定出兵武装倒幕，把德川幕府将军赶下台。
此期间，德川幕府末代将军德川庆喜听到风声，觉着形势对己不利，决定以进为退，主动辞去“征夷大将军”的职位，奉还大政予明治天皇。德川庆喜希望以名义上的奉还大政，而能在新政体下保留实力，以便争回主导权。不过倒幕同盟并不信任幕府举动，决心发动以“王政复古”为名的政变，建立由天皇主导的新政府。
1868年1月3日，西南各诸侯率兵包围皇宫，解除德川幕府驻后宫警卫队的武装。他们簇拥着年少的明治天皇，召开御前会议，宣布“王政复古”，大权全归天皇掌握。明治天皇随即颁布诏书，废除幕府，令德川庆喜“辞官纳地”。决定建立由他领导的新的中央政府，并委派西乡隆盛和大久保利通这些改革派主管政事并发动戊辰战争。
德川庆喜连夜逃出京都，他率领会津、桑名两藩藩兵退守大阪，而后德川庆喜打着“解救天皇，清除奸臣”的旗号，纠集幕府军和会津等藩兵1.5万人从大阪沿淀川北上，兵分两路，杀气腾腾地向京都进犯，一路大军向京都西南方的鸟羽推进，另一路则向向京都东南方的伏见推进，准备以钳形之势夹击京都。
得知幕府挥军北上的消息后，大久保利通、西乡隆盛、木户孝允寿等人以萨摩，长州、安艺诸藩的武装，在京都附近的鸟羽、优见两地迎击幕府军。明治天皇亲自到阵前督战，大村益次郎率领的5000名装备精良的政府军，早已占据有利地形，架起了巨炮，静等幕府军的到来。
1868年1月27日黄昏，幕府军抵达鸟羽、伏见。双方展开了大厮杀。虽然新政府军只得五千人，但新政府军使用的是新式步枪；幕府军虽然人数众多，但军心涣散，士气很低，刚一接触，便四处溃逃。而政府军却斗志旺盛，以一当十越战越勇，最后幕府军被击退。士气低落的幕府军几经艰难才回到大阪。德川庆喜深知大阪城守不住，便偷偷乘坐军舰逃回江户。政府军不给对方以喘息之机，跟踪幕府残军，迅即包围江户。德川庆喜看到自己的军队已经瓦解，江户的居民又不拥护自己，再战只有死路一条，于是决定放下武器，向天皇投降。1868年5月3日政府军占领江户。这样，统治日本长达200多年之久的德川幕府统治落下帷幕
。
1868年11月初，政府军平定东北地区叛乱诸藩。1869年春，政府军出征北海道，于6月27日攻下幕府残余势力盘踞的最后据点五稜郭（在函馆），戊辰战争结束，日本全境统一。由天皇操纵、主导政权的封建军国主义国家建立，标志着日本资本主义革命的结束。
与此同时，1868年3、4月间，明治政府先后颁布了《五条誓文》和《政体书》，提出推行资本主义新政的基本方针，从1868年—1873年，开展了大刀阔斧的维新运动。
1869年6月，明治政府强制实行“版籍奉还”、“废藩置县”政策，将日本划分为3府72县，建立中央集权式的政治体制，且天皇一切权力集于一身。
废除传统时代的“士、农、工、商”身份制度，将皇室亲缘关系者改称为“皇族”，过去的公卿诸侯等贵族改称为“华族”，幕府的幕僚，大名的门客等改为“士族”，其他从事农工商职业和贱民一律称为“平民”，只是实现了形式上的“四民”平等，各等级间允许相互交往，但仍存在等级之分。
