农民军在两广休整了几个月以后，补充了口粮和装备；另一方面，这支义军成员中，有些人在岭南不服水土。为此，黄巢决定立即北伐。当时黄巢以农民军“百万都统”的名义，发表声讨唐政府的檄文，宣布自己将率领大军打进长安。他痛斥唐政府黑暗腐败，列举宦官专政及官员贪暴的罪恶，提出了“禁止刺史殖产，县令犯赃者族”的具体要求，号召全国劳动人民行动起来，推翻李唐王朝。北伐宣言反映了全国被压迫人民的共同愿望，击中了唐政府的要害，是北伐胜利进军的思想武器。
乾符六年（879）十月，黄巢令全军在桂州（今桂林市）结集，利用湘江涨水的机会，乘数千木筏顺流而下，经永州（今湖南零陵）到达衡州（今湖南衡阳），农民军在衡州研究部署作战方案。
当时的湖南观察使兼行营招讨副都统李系是招讨都统王铎的助手，掌握五万精兵，屯防在战略要地潭州（今湖南长沙市），企图堵塞黄巢的去路。黄巢探明敌军的虚实以后，迅速发起猛攻，仅用一昼夜时间，便攻陷了这个战略要地，唐军几乎全军覆没。不久，农民军又占领沣州（今湖南澧县）。黄巢乘胜向江陵挺进。唐招讨使王铎，吓得立刻逃奔襄阳。留守江陵的唐将刘汉宏乘机抢掠江陵居民，烧毁民房，城内百姓纷纷逃进山谷。十一月中旬，农民军攻克江陵府，接着大军进逼襄阳。这时，山南东道节度使刘巨容督率沙陀骑兵，驻守在江陵通向襄阳要路的团林铺（今湖北荆门南40里），而以曹全把守荆门关。荆门关地形险要，刘巨容选择了有利地形，做好伏击的准备。乾符六年（879）十一月末，农民军进至团林铺。曹全率沙陀兵迎战，刚一交锋，便佯败而走。农民军拼命追赶，遭敌人伏击，这次死伤17万人。
荆门之战失利以后，黄巢不得不放弃从襄阳进攻两京的计划。这年十二月初，黄巢撤离江陵，率大军顺江东下，沿途克服了饶（今江西省鄱阳）、信（今江西上饶）、池（今安徽贵池）、歙（今安徽歙县）、衢（今浙江衢县）、婺（今浙江金华）、睦（今浙江建德）等十五州。在作战过程中，各地贫苦农民纷纷参加起义，黄巢领导下的农民军发展到20余万。
唐僖宗因王铎指挥无功，解除了他的招讨都统职务，任命高骈为诸道行营都统。高骈是残暴阴险的政治野心家，他一上台，便纠集各镇兵七八万人，坐镇扬州，和农民军隔江对峙。由于黄巢力量很大，而且兵锋指向淮南，于是高骈使出两手策略：一方面给黄巢写信，用节度使的职衔诱降；同时派都知兵马使张璘渡江，进攻饶州。黄巢也针锋相对，一方面派人与高骈周旋，答应可以考虑和谈；而另一方面，却固守阵地，打击来犯之敌，积极准备渡江。高骈误认为黄巢上钩，他恐怕别人分享自己的功绩，于是上奏朝廷，称黄巢不久可平，不用劳烦其他节度使的军队，请皇帝陛下勅令他们各回自己防地。不久，各镇军队果然奉命撤退。这时，黄巢立刻停止谈判，于广明元年（880）六月，在信州大败张璘的队伍，并且在战场上斩了张璘，全歼高骈这支江南的劲旅，取得了重大胜利，从而为农民军渡江创造了有利条件。
广明元年（880）七月，黄巢引兵北上，占领了宣州（今安徽宣城县）。接着，农民军便从采石矶（今安徽当涂县西北）渡过长江，即克服和州（今安徽和县）、滁州（今安徽滁县），大军屯于天长、六合之间，距高骈驻地不到50里，使高骈坐立不安。他一面死守扬州，一面向朝廷告急。唐僖宗闻讯后，除了下诏指责高骈外，又调河南各镇兵进驻溵水（即沙河）；任命泰宁军（原驻山东兖州）节度使齐克让为汝郑把截制置使，率兵守郑汝一带；调曹全任天平节度使兼东面招讨都统，部署指挥洛阳以东的防务。
农民军在天长（今安徽盱眙东南）一带休整了40余日，然后耀武扬威，击溃了曹全军，攻占泗州（今盱眙对岸）。这年十月，黄巢指挥大军浩浩荡荡渡过淮河，沿途克服颍州（今安徽阜阳）、宋州、申州（今河南信阳）等地。这支义军纪律严明，秋毫不犯，一路上百姓参加起义者纷至沓来，使农民军迅速扩大到60余万。这时黄巢又发表檄文警告各地官员说：“我军过去陈兵淮南，饮马颍川，逐高骈如同赶老鼠，不久将打进东都，直捣长安，吊民伐罪。你们要各安其地，不许乱动，否则严惩不贷。”这里黄巢明确提出打进首都，惩办皇帝，吓得节度使胆战心惊。
十一月中旬，农民军开到东都外围，唐东都留守刘允章见大势已去，率部下出城迎降，黄巢胜利地进了东都。大军入城以后，不动群众一针一线，“闾里晏然”。
唐僖宗听说东都失守，立即召集宰相豆卢瑑和大宦官田令孜等商讨对策。田令孜保荐神策军马军将军张承范任兵马先锋使兼把截潼关制置使，步骑将军王师会任制置粮料使，率神策军驰援潼关。
广明元年（880）十二月初，农民军的先锋到达潼关，他们的旗帜一眼望不到边。农民军大将尚让和林言亲率义军，从潼关南面的“禁阮”绕到潼关侧后，从两面夹击潼关。唐将齐克让虽然掌握万余武装，只勉强抵抗一下，就连夜焚营溃逃，黄巢克服了潼关。
唐僖宗闻黄巢打进潼关，立即携带妃嫔、亲王等，离开长安逃往成都。
农民军占领潼关后，留大将乔钤率兵镇守。黄巢令尚让为平唐大将军，在盖洪、费全古的协助下，指挥数十万农民军奔向长安。广明元年（880）十二月八日，大将柴存率先锋攻进长安，唐金吾大将军张直方领文武百官到灞上迎降。黄巢入长安城时，农民军盔甲耀眼，旌旗蔽天，英姿飒爽，威武雄壮。满载粮秣的车马络绎不绝，车马隆隆，人马欢腾。长安市民聚集在街头，夹道欢迎义军入城。平唐大将军对欢迎的人群说：“黄王起兵，本为百姓，不像李家皇帝害了你们。从今以后，你们只管安居乐业了。”农民军都把自己的物品分给穷苦百姓。
广明元年十二月中旬，黄巢在长安宫城的含元殿，正式当了皇帝，国号大齐，改元金统。黄巢即位以后，立即组织农民政府。黄巢任尚让为太尉兼中书令，赵璋为侍中，崔璆、杨希古为同平章事，孟楷、盖洪任左右仆射兼军容使，费传古为枢密使，郑汉章为御史中丞，黄谔、李俦、尚儒任尚书，方特任谏议大夫，皮日休、裴偓任翰林学士，张直方检校左仆射，王璠任京兆尹，朱温、许建、张全、李逵任游奕使。这些人除了张直方、崔璆、皮日休、赵璋等人以外，都是农民军的骨干。当时的政权，完全由农民军掌握。
农民政府建立以后，颁布了一系列政策。第一，没收大贵族、大官僚的土地和浮财，救济贫民。第二，宣布唐朝三品以上官员，全部撤职。第三，镇压顽固分子。当时大官僚豆卢瑑、于琮、刘邺、裴谂、赵蒙、李溥、李汤等，由于抗拒大齐政府的命令，私匿民间，立即正法。第四，整顿纪律，建立革命秩序。严禁农民军任意杀人。如要杀人，必须经过法律程序，经上级审批后方可执行。第五，刀、剑、戟、弓矢，一律上交国库，民间不许私藏兵器。第六，四品及四品以下官员，可以留用。
以上这些政策，充分体现了大齐政权的农民革命色彩，和地主政权有显著区别。
黄巢虽然建立了政权，但其统治基础不很巩固。因为数十万农民军进了长安以后，没有继续向周围地区发展革命势力，过去的占领区，大部分放弃。大齐政权的势力，西到龙尾坡，东至潼关，东北抵同州（今陕西省大荔县），东南控制商、邓。因此，首都长安实际在唐军的四面包围之中，粮食来源非常困难。
唐僖宗到达成都以后，又重新组织中央政府。四川本来是“天府之国”，加上农民军放弃江淮，那里的粮食绢绫源源不断输送到成都等地，于是，唐僖宗又有了卷土重来的本钱。而投降黄巢的凤翔节度使郑畋是两面派，他表面“归顺”农民军，暗地又挖战壕、筑工事，训练士卒，准备反扑。
广明二年（881）四月，唐僖宗任命郑畋为诸道行营都统，纠集各镇节度使，围剿农民政权。当时泾原镇兵据渭北、河中镇兵占据沙苑（今大荔县南）、易定镇兵据渭桥（今西安市西北）、鄜延镇兵据武功（今陕西武功县）。四月，唐军发起进攻。黄巢发现敌军众多，势力强大，主动率部队撤出长安，把主力军布置在长安郊外。唐将程宗楚、唐弘夫、王处存等突入长安，他们纵兵出入民宅，大抢大杀，奸污妇女，长安人民重新陷入水深火热之中。
黄巢探知城里唐军缺乏后援，于是立即组织反攻。在大将孟楷率领下，起义军二次攻入长安，与唐军展开激烈的巷战。唐军缺乏统一指挥，大部被消灭，程宗楚、唐弘夫阵亡，只有王处存带少数残兵脱身。农民军虽然打了胜仗，但兵源和粮食的补充却遇到极大困难。虽然如此，他们在困境之中仍然坚持斗争。当时尚让西出长安，打败了邠宁凤翔军，收复了兴平。同州的农民军打败了王重荣。正在这关键时刻，驻守同州的朱温，于中和二年（882）九月叛变投敌。这样一来，长安东北门户被敞开，形势更加险恶。
当时唐政府为了增强进攻力量，又勾结沙陀人李克用。中和三年年初，李克用率领4万大军到达同州，会合唐将王处存和王重荣，在梁田陂与农民军展开激战。农民军被打败，伤亡数万人，迫使黄揆和王璠从华州撤退。四月八日，李克用打进长安，当天夜里，黄巢领15万农民军离开长安，退入河南。五月，孟楷率领农民军一举攻克蔡州（今河南汝南），接着，围攻陈州（今河南淮阳）。唐军在陈州实行坚壁清野，顽强抵抗。当一支农民军进至项城（今河南项城）时，被陈州的唐军打败，牺牲1万余人。
黄巢得知大量战友牺牲的消息，十分痛心，决心不惜一切力量攻取陈州。陈州刺史赵家世代是陈州地主。早在黄巢东撤以前，他就大力兴筑城堑，缮治甲兵，积储军粮，广募士卒，并且把周围60里内拥有资粮的地主全部徙入城中。赵还以其弟赵昶、赵珝，长子赵麓、次子赵霖“分领锐兵”，组成一支家族亲兵，准备和黄巢决战。赵曾公开说：“吾家久食陈禄，誓与此州存亡”（《通鉴》卷二百五十五中和三年六月条）。陈州的存亡，对赵氏全家，是个生死攸关的问题，因此赵是农民军最凶恶的敌人。
从这年六月，孟楷与蔡州降将秦宗权即开始围攻陈州。农民军攻陈州300多天，发动大小战役数百次，始终没有取胜。
黄巢长期围困陈州，是战略上的重大错误：一则农民军伤亡惨重，劳而无功；二则唐政府利用黄巢集中力量围攻陈州之机，拼凑大量部队，准备全面大反攻。中和四年（884）三月，李克用率兵5万从太原出发，会合汴州、徐州等路唐军奔赴陈州。于四月间攻陷太康（陈州附近），农民军伤亡万人。不久，屯驻西华（今河南西华县）的黄邺也被唐军打败，投奔陈州。这时，黄巢不得不从陈州撤兵，把大军引向汴州。李克用与忠武都监使田从异率兵北追，在王满渡（今河南中牟县北）乘农民军渡河之机大举进攻，黄巢部众又伤亡万余人。尚让在这关键时刻投降了时溥。与此同时，农民军另一批将领葛从周、张归霸等，则投降了叛徒朱温。
王满渡战役后，黄巢经封丘（今河南封丘）到了兖州（今山东兖州）。这年七月，在山东莱芜以北的瑕丘，与唐将时溥打了最后一仗，农民军大部牺牲。黄巢至死不屈，最后在莱芜东南的狼虎谷，壮烈自杀。这次波澜壮阔的农民大起义最后失败了。
黄巢起义为什么失败呢？主要原因是搞“流寇主义”。在十年战争中，始终是流动作战，未能建立比较稳定的根据地，没有可以依靠的物质基础。他们往往是前面攻取一地，随后又放弃了。最后，几十万农民军进了长安，好像钻进口袋，减少了人民的支持，断绝了粮源和兵源。
另一方面，黄巢对消灭旧政权的重要性认识不足。他没有及时消灭在逃的唐僖宗，而忙于自己称帝。农民军进了长安，停止军事进攻，使唐政府得到喘息之机。唐政府从四面八方纠集兵力，对农民军反扑，从而使农民军在庞大的反动武装围攻下失败了。
革命的首要问题是政权问题。黄巢虽然也改元称帝，但当时旧政权没有被打垮，他们仍然处在旧政权包围之中，这表明当时阶级力量的对比，仍有利于唐政府的再起。各节度使虽然各有野心，互相牵制，但在对付农民起义方面却是一致的。结果是他们终于联合起来，共同镇压了黄巢起义。
黄巢起义具有伟大的历史作用。这支起义军转战万余里，镇压了很多贵族、官僚和豪强。旧士族的残余，经过十年大扫荡以后，从此退出历史舞台。
黄巢起义是300年来农民反抗的总爆发。“黄王起兵，本为百姓。”农民军“广侵田宅，滥渎货财”，用暴力方式剥夺地主的土地和财物，而对穷苦人民，争相施遗。这些活动正是“平等”、“平均”要求的朴素实施。黄巢的“平均”口号，对封建社会里后来的农民起义具有深远的影响。北宋时李顺、王小波更明确提出“均贫富”的口号，就是在唐末农民要求“平均”的基础上得到发展的。
黄巢起义最显著的特点就是远征。它经历了山东、河南、安徽、湖北、湖南、江西、浙江、福建、广东、广西、江苏、陕西12省，往返一万五六千里。这样的远征并不是偶然的，更不是农民军中某个领袖主观决定的，而是唐朝所特有的社会条件促成的。首先是流民问题，早在安史之乱后，农民逃亡就很严重，唐代宗的《安抚流亡诏》里反映，当时很多农业生产者“荡为浮人，乡居地着者不四五，如是者殆三十年”。这些失业破产的流民，“或托迹为僧，或占募军伍，或依倚豪族”，还有“结聚攻陷城邑者”。黄巢起义时吸收了大量流民。
其次是兵变问题。从8世纪中叶到黄巢起义时的一百多年间，全国有军乱、反叛、逐帅事件126起之多，兵变已成为这一时期主要的历史内容。这些兵变，有的是藩镇大小头目的斗争，也有一部分是士兵反对压迫的斗争。后一种兵变就与农民起义相结合，庞勋起义就是其具体表现。在黄巢领导的农民军中，有“庞勋余党”。所以《唐鉴》说：“黄巢之寇，本徐方之余”。
再次是“盐枭”问题。唐朝后期政府直接控制食盐产销，高价卖盐，从中牟取暴利，人民怨苦，甚至淡食，从而煮私盐、贩私盐的“盐枭”便活跃起来。武装贩盐的“盐枭”，把低价食盐卖给农民，解除农民淡食之苦，这便与农民建立了一定的联系。当农民起来反抗封建政权时，“盐枭”也可能参加，并且常常因为他们具有和政府斗争的经验和斗争能力，而成为农民战争的骨干。这样，便可以理解贩运私盐的黄巢、王仙芝领导农民起义的原因。
由此可见，流民、叛兵、“盐枭”都是唐朝社会孕育出来的，并且在农民起义中结为一体。正因为这样，所以在战斗过程中，充分表现了这些人的思想倾向：愿意流动作战，奔向大城市。唐朝交通比过去便利，“盐枭”在各地贩盐，士兵远戍边疆，他们走过很多地方，又熟悉山川关隘，就是流民的眼界也比一般农民广阔多了，这就为农民创造了远征的条件。因此，当他们遇到强大的军事压力时，便可能向有利的地方进军，并且能在一定程度上适应斗争情况，运用他们的战略策略，在这方面也表现出了黄巢等人卓越的才能。
