上都军由梁王王禅、诸王失剌、也先帖木儿等分别率领，进向居庸关、古北口和迁民镇（今山海关），湘宁王八剌失里、诸王忽剌台等率另一路军绕道山西进向紫荆口，对大都地区形成四面进攻的态势。九月初，燕铁木儿亲率主力击退逼近榆林（居庸关外）的王禅军。不久，因上都诸王也先帖木儿、平章秃满迭儿所部辽东军突破迁民镇关口西进，复奉旨前往蓟州堵截，十六日军至三河县，得报王禅军已破居庸关，乃留一部军守蓟州，自率主力迅速回师西向。二十日，与敌前军遇于榆河，激战却之，追至红桥北，于是两军隔江桥立营。后数日中，与王禅军两次会战于榆河北白浮之野，设计命将卒乘夜鼓躁，钲鼓号角齐鸣，敌营惊扰，自相踏践、射击，败走。二十五日，追袭王禅军于昌平北，杀敌数千，降者万余；次日，敌军溃散，王禅逃入北山，遂收复居庸关，命将守之。

　　二十七日，获悉上都军攻破古北口，进掠石槽（怀柔西南），即遣弟撒敦领兵急往迎击，自率大军继至，转战至牛头山（怀柔南），俘其驸马孛罗帖木儿等，上都军万余人降，残部溃散，被逐出古北口。二十八日，上都也先帖木儿、秃满迭儿军攻占通州，逼近大都，燕铁木儿又麾师驰救，十月一日黄昏赶至，立即乘敌休息直捣其营，敌不及应战，退到潞河东，二日后宵遁，乃渡河追击，进驻枣林（通州东南）；五日，上都军复集来攻，激战破之，斩其阳翟王太平，敌死伤惨重，北遁。上都诸王忽剌台军于九月末攻入紫荆关，十月初进犯涿州，于良乡南打败大都军，据卢沟桥而阵。七日，燕铁木儿率军兼程西进，人马皆且行且食，急趋良乡，在卢沟桥作战的大都军遂声言燕铁木儿军将至，上都军惧，退走；后此路军曾攻下冀宁（太原），而上都已败，退至马邑，湘宁王八剌失里、诸王忽剌台等皆被擒。十一日，上都秃满迭儿军复入古北口，燕铁木儿率军御之，大战檀州（密云）南，敌败，其万户以所部军降，秃满迭儿遁走辽东。十三日，齐王月鲁帖木儿与东路蒙古元帅不花帖木儿（燕铁木儿叔）率军包围兵力空虚的上都，倒剌沙等出降，两都之战至此以上都的失败告一段落。此次内战，上都方面拥有较多诸王、大臣的支持，兵力颇强，其四路军均曾先后攻入京畿，但缺乏统一指挥，未能配合，而燕铁木儿则集中精兵由自己直接统率，又富于谋略，勇决善战，虽往来奔驰救援，均能以优势兵力各个击溃敌人，保卫了大都的安全。赢得两都之战的胜利使燕铁木儿权势更盛。文宗下诏：“今后朝廷政务及籍没田宅赐人者，非与燕铁木儿议，诸人不许奏陈。”加号“答剌罕”，使子孙世袭其号；许兼三职署事。十二月，置龙翊卫，分领钦察卫士，以燕铁木儿兼都指挥使。天历三年（1329）正月，立都督府（六月升为大都督府），统左、右钦察卫、龙翊卫及哈剌鲁、东路蒙古二万户府和东路蒙古元帅府，亦命他兼统，并授御史大夫。于是军、政、监察大权尽掌握在他手中。

　　参与谋害明宗文宗即位时曾宣布等长兄来到立即让位，打败上都集团后就派官员北迎和世■。天历二年正月，和世■从西北来到和宁地区，岭北诸王、旧臣争先迎谒拥戴，于是不等与文宗及其大臣见面就在和宁北即帝位，是为明宗。三月，文宗命燕铁木儿奉皇帝玺往见明宗；四月，到达明宗驻地洁坚察罕（在和宁北，本太宗春季行宫），献上帝玺，明宗命他仍为中书左丞相，封爵如故，并宣布“凡京师百官，朕弟所用者，并仍其旧”。燕铁木儿奏请任命中书、枢密、御史台大臣，于是明宗任命追随他的旧臣哈八儿秃等为中书平章政事、知枢密院事、御史大夫，并向燕铁木儿及新任大臣谕示了一系列政令；同时，立文宗为皇太子。燕铁木儿从明宗南行，八月一日，至旺兀察都（即中都，今河北张北之北），次日，文宗从上都来迎，兄弟相见，宴诸王、大臣于行宫。六日，明宗“暴崩”，燕铁木儿声称奉明宗皇后之命，以皇帝宝授予文宗，立即拥文宗“疾驱”还上都，途中“昼则率宿卫士以扈从，夜则躬擐甲胄绕幄殿巡护”，八日，抵上都。十五日，文宗再即帝位。明宗之死，事有蹊跷，皇后八不沙、子妥欢贴睦尔（即元顺帝，时已十岁）当时都在行宫，必知其情，朝野当亦有疑者，但八不沙于次年即被谋杀，妥欢贴睦尔被贬于高丽。直到后至元六年（1340），顺帝才公开颁诏揭露文宗“当躬迓之际，乃与其臣月鲁不花、也里牙、明里董阿谋为不轨，使我皇考饮恨上宾”（《元史·顺帝纪三》）。诏中没有提燕铁木儿，但《元史·燕铁木儿传》则谓其“明宗之崩，实与逆谋”（此系据权衡《庚申外史》）。胡粹中《元史续编》卷十载：“闻故老言：燕帖木儿奉上玺绶时，明宗从官有不为之礼者，燕帖木儿且怒且惧。既而帝暴崩，燕帖木儿闻哭声，即奔入帐中，取宝玺，扶文宗上马南驰。”可见他参与谋害明宗之事在元末广为流传，且合乎情理，当是事实。

　　权倾朝野文宗再次即位后，更加倚重燕铁木儿。诏追封其父祖王号；以燕铁木儿既为右丞相，乃不置左丞相，使独掌政务，诏告天下，谓其功勋卓著，“宜专独运，以重秉钧”，“凡号令、刑名、选法、钱粮、造作，一切中书政务，悉听总裁”，诸王、公主、驸马、近侍和所有官员都不得越过他奏事；命艺文监刊行其《世家》；命礼部尚书马祖常撰碑文纪其功，赐题《太师太平王定策元勋之碑》，诏于红桥南为其建生祠，树纪功碑，并亲祀其生祠；命于兴圣宫西南侧为其建居弟；诏以其子塔剌海为养子；此外还多次赏赐田地、鹰坊、金银、宫女等。其弟撒敦授知枢密院事，子唐其势宣徽使，并赐号“答剌罕”，一门权势盛极，以致唐其势扬言“天下本我家之天下”（《元史·唐其势传》）。燕铁木儿掌握大权后，“挟震主之威，肆意无忌”，让中书省臣奏请赐给自己安丰等路封户，龙庆州之园池、水硙、土田，嘉兴、平江等处田地，占有了大量财富；取泰定帝后为夫人，先后娶宗室女达40 人，“后房充斥，至不能尽识”，“一宴或宰十三马”，荒淫、奢侈至极。