刘福通在派兵西征的同时，还派大军北伐。北伐红巾军分为中路、东路两部，其中20万中路大军由关先生（本名关铎 ） 、破头潘（本名潘诚）、沙刘二（本名不详）等人率领，于至正十七年（1357）九月穿越太行山，突然捣入山西境内。
中路军攻入山西后，以破竹之势连下陵川、高平、潞州等地，前锋已威逼冀宁路（今太原） 。元廷急调屯扎陕西的察罕帖木儿军东援，察罕军果然凶悍，很快重挫中路红巾军，斩获可观，迫使关先生等率部退入太行山中休整。
至正十八年（1358）春，刘福通麾下悍将毛贵率东路军攻入河北，势头颇为凶猛，吸引了大量元军北援，毛贵的部将王世诚、续继祖等也自益都（今山东青州）出发，相继攻掠怀庆路（今河南焦作、孟州）、晋宁路（今山西临汾、襄陵、洪洞、浮山、汾西等地）。元军集结力量大举东下，围追堵截，中路军压力骤然减轻 ，遂走出太行深山，趁机分兵连克绛州（今晋南绛县）、沁州（今山西沁源）、冀宁（今山西太原阳曲）、大同等地，遗憾的是，这支红巾军埋头攻城掠地，却忘记牵制元军、给予毛贵北伐大军更有力的支持，导致毛贵北伐主力在元大都（今北京）外围遭各路优势元军阻抗，兵败退回山东。假如潘先生等人能虚张声势，分兵袭扰山西各地，吸引大量元军主力前往围堵，则毛贵的北伐军主力就能一举攻陷元大都，提前将蒙元统治集团驱入大漠......
毛贵北伐主力在大都郊区受挫退入山东后，北方的各路元军以及地方军阀武装立刻涌入山西围攻中路红巾军。至正十八年五月一日，察罕帖木儿部将关保率军与中路军激战于高平，一举击败中路军；六月十三日，关先生、破头潘统军攻破辽州（今山西昔阳县）。元将虎林赤率军来攻，关先生主动放弃辽州，率军西去，再次攻克冀宁路；九月，关先生率中路军主力攻打保定路（河北保定），元军顽强抵抗，久攻不克，遂撤围西去，一举攻破完县（今保定市顺平县）。因与毛贵东路军会师的计划无法实现，关先生、破头潘等人商议决定北攻大同、兴和（今内蒙乌兰察布），趁势扫荡塞外。
同年十月，中路军攻破大同，十二月九日，又一举攻下元上都开平府（今内蒙锡林郭勒盟上都镇东北四十里处），大肆烧杀抢掠一番，并纵火焚毁了上都巍峨壮丽的宫殿群。
元上都开平府是元帝国在塞外的政治、经济、军事中心，元朝皇帝每年夏天都要离开大都到这里避暑、处理政务长达半年之久。元上都的陷落，夏宫被摧毁，对元王朝是一个沉重的打击，彼时许多人都有了不祥的预感，对这个曾经横跨欧亚的马背王朝是否还能继续延续下去产生了疑问。红巾军转战塞外，竟然还引发了蒙古汪古部落（突厥沙陀种，亦称察汗塔塔尔）的响应与支持，红巾军一直攻至斡难河流域，元赵王马扎罕惊慌失措 「微服遁去」。
史载，中路红巾军攻破元上都后，在此休整了七天，旋即向东进发，以雷霆之势攻破全宁路（今内蒙赤峰），再次纵火将元鲁王府焚毁殆尽。
元至正十九年（1359）正月十三，中路军又攻破了元辽阳行省治所辽阳路（今辽宁辽阳），歼灭守军，擒杀懿州路总管吕震。中路军行动飘忽，战力凶猛，扫荡塞北，屡破元军，迭克名城，引发元廷震动。
元朝左丞相太平通过研究「贼」中路军的进军路线，认为「红巾贼」千里北征 ，虽然所攻必克，但却不分兵占据城邑，这次攻占辽阳亦不会做长期打算，肯定会很快放弃，遂向元顺帝妥欢帖木儿上奏， 建议任他的儿子也先忽都为总兵大将军，统兵进攻辽阳，必能一举克复之。顺帝派也先忽都率军北进辽阳后，看到城头上红巾军戒备森严，关先生、破头潘等头目「日治战马」，就是天天操练兵马之意，显然没有立即撤走的意思 ，似乎想长期固守。也先忽都是丞相之子，自幼锦衣玉食，哪有统兵之才？他早就听说「红巾贼」凶悍善战，杀人如麻，心里发怵，如今见这帮凶神恶煞的家伙就在眼前，不敢挥军攻打， 而是率先拍马往南逃去,所部自然也不战而溃了......
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