北京本來是燕王朱棣的封地。靖難之役以后，永樂元年（1403年），禮部尚書李至剛等奏稱，燕京北平是皇帝“龍興之地”，應當效仿明太祖對鳳陽的做法，立為陪都。明成祖于是大力擢升燕京北平府的地位，以北平為北京，改北平府為順天府，稱為“行在”。同時開始遷發人民以充實北京；被強令遷入北京的有各地流民、江南富戶和山西商人等百姓等。

永樂四年（1406年），明成祖下詔以南京皇宮（南京故宮）為藍本，興建北京皇宮和城垣。朱棣先派出人員，奔赴全國各地去開采名貴的木材和石料，然后運送到北京。光是準備工作，就持續了11年。珍貴的楠木多生長在崇山峻嶺里，百姓冒險進山采木，很多人為此丟了性命，后世留下了“入山一千，出山五百”來形容采木所付出的生命代價。

開采修建宮殿的石料，同樣很艱辛。現在保和殿后那塊最大的丹陛石，開采于北京西南的房山。史書記載了運送它時的情景：數萬名勞工在道路兩旁每隔一里左右掘一口井，到了寒冬臘月氣溫足夠低時，就從井里汲水潑成冰道，用了28天的時間，才送到了宮里。此外，還要在蘇州燒制專供皇家建筑使用的方磚——金磚，山東臨清也要向北京運送貢磚。

永樂七年（1409年），明成祖以北京為基地進行北征，同時開始在北京附近的昌平修建長陵。將自己的陵墓修在北京而不是南京，證明明成祖已經下定決心要遷都。 永樂十四年（1416年），明成祖召集群臣，正式商議遷都北京的事宜。對于提出反對意見的臣工，明成祖一一革職或嚴懲，從此無人再敢反對遷都。

次年，以南京紫禁城為模板的北京紫禁城正式動工。永樂十八年（1420年），北京皇宮和北京城建成。北京皇宮以南京皇宮為藍本，規模稍大。新修的北京城周長四十五里，呈規則的方形，符合《周禮·考工記》中理想的都城的形制。明成祖下詔正式遷都，改金陵應天府為南京，改北京順天府為京師，但在南京仍設六部等中央機構，稱南京某部，以南京為留都。