劉福通在派兵西征的同時，還派大軍北伐。北伐紅巾軍分為中路、東路兩部，其中20萬中路大軍由關先生（本名關鐸 ） 、破頭潘（本名潘誠）、沙劉二（本名不詳）等人率領，於至正十七年（1357）九月穿越太行山，突然搗入山西境內。
中路軍攻入山西後，以破竹之勢連下陵川、高平、潞州等地，前鋒已威逼冀寧路（今太原） 。元廷急調屯紮陜西的察罕帖木兒軍東援，察罕軍果然兇悍，很快重挫中路紅巾軍，斬獲可觀，迫使關先生等率部退入太行山中休整。
至正十八年（1358）春，劉福通麾下悍將毛貴率東路軍攻入河北，勢頭頗為兇猛，吸引了大量元軍北援，毛貴的部將王世誠、續繼祖等也自益都（今山東青州）出發，相繼攻掠懷慶路（今河南焦作、孟州）、晉寧路（今山西臨汾、襄陵、洪洞、浮山、汾西等地）。元軍集結力量大舉東下，圍追堵截，中路軍壓力驟然減輕 ，遂走出太行深山，趁機分兵連克絳州（今晉南絳縣）、沁州（今山西沁源）、冀寧（今山西太原陽曲）、大同等地，遺憾的是，這支紅巾軍埋頭攻城掠地，卻忘記牽制元軍、給予毛貴北伐大軍更有力的支持，導致毛貴北伐主力在元大都（今北京）外圍遭各路優勢元軍阻抗，兵敗退回山東。假如潘先生等人能虛張聲勢，分兵襲擾山西各地，吸引大量元軍主力前往圍堵，則毛貴的北伐軍主力就能一舉攻陷元大都，提前將蒙元統治集團驅入大漠......
毛貴北伐主力在大都郊區受挫退入山東後，北方的各路元軍以及地方軍閥武裝立刻湧入山西圍攻中路紅巾軍。至正十八年五月一日，察罕帖木兒部將關保率軍與中路軍激戰於高平，一舉擊敗中路軍；六月十三日，關先生、破頭潘統軍攻破遼州（今山西昔陽縣）。元將虎林赤率軍來攻，關先生主動放棄遼州，率軍西去，再次攻克冀寧路；九月，關先生率中路軍主力攻打保定路（河北保定），元軍頑強抵抗，久攻不克，遂撤圍西去，一舉攻破完縣（今保定市順平縣）。因與毛貴東路軍會師的計劃無法實作，關先生、破頭潘等人商議決定北攻大同、興和（今內蒙烏蘭察布），趁勢掃蕩塞外。
同年十月，中路軍攻破大同，十二月九日，又一舉攻下元上都開平府（今內蒙錫林郭勒盟上都鎮東北四十裏處），大肆燒殺搶掠一番，並縱火焚毀了上都巍峨壯麗的宮殿群。
元上都開平府是元帝國在塞外的政治、經濟、軍事中心，元朝皇帝每年夏天都要離開大都到這裏避暑、處理政務長達半年之久。元上都的陷落，夏宮被摧毀，對元王朝是一個沈重的打擊，彼時許多人都有了不祥的預感，對這個曾經橫跨歐亞的馬背王朝是否還能繼續延續下去產生了疑問。紅巾軍轉戰塞外，竟然還引發了蒙古汪古部落（突厥沙陀種，亦稱察汗塔塔爾）的響應與支持，紅巾軍一直攻至斡難河流域，元趙王馬紮罕驚慌失措 「微服遁去」。
史載，中路紅巾軍攻破元上都後，在此休整了七天，旋即向東進發，以雷霆之勢攻破全寧路（今內蒙赤峰），再次縱火將元魯王府焚毀殆盡。
元至正十九年（1359）正月十三，中路軍又攻破了元遼陽行省治所遼陽路（今遼寧遼陽），殲滅守軍，擒殺懿州路總管呂震。中路軍行動飄忽，戰力兇猛，掃蕩塞北，屢破元軍，叠克名城，引發元廷震動。
元朝左丞相太平透過研究「賊」中路軍的進軍路線，認為「紅巾賊」千裏北征 ，雖然所攻必克，但卻不分兵占據城邑，這次攻占遼陽亦不會做長期打算，肯定會很快放棄，遂向元順帝妥歡帖木兒上奏， 建議任他的兒子也先忽都為總兵大將軍，統兵進攻遼陽，必能一舉克復之。順帝派也先忽都率軍北進遼陽後，看到城頭上紅巾軍戒備森嚴，關先生、破頭潘等頭目「日治戰馬」，就是天天操練兵馬之意，顯然沒有立即撤走的意思 ，似乎想長期固守。也先忽都是丞相之子，自幼錦衣玉食，哪有統兵之才？他早就聽說「紅巾賊」兇悍善戰，殺人如麻，心裏發怵，如今見這幫兇神惡煞的家夥就在眼前，不敢揮軍攻打， 而是率先拍馬往南逃去,所部自然也不戰而潰了......
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