《平番得胜图》中的明军轻装骑兵
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激怒，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》）
永乐皇帝画像
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米的长枪，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性的打击力量。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精良。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，充当击溃敌军的角色。
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，一般的箭镞是刺不透厚厚的重型铠甲的，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。
神机队五十七人（杨翌绘）
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。顾此虏禽兽之性，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，无非欲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（今克鲁伦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。朱棣亲率精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。