尊王攘夷論者認為，要改革政治、充實國力，只有打破朝廷與幕府的對立，改變現狀。因此以外交問題為藉口，展開激烈的倒幕運動。而尊王攘夷論也開始蛻變為尊王倒幕或者是王政復古。長州、薩摩等藩的主導權逐漸落入倒幕派的志士手中，高杉晉作、桂小五郎、西鄉隆盛、大久保利通等活躍的倒幕運動者，推動使用武力謀求以天皇為中心的政治統一，展現國家民族意識的覺醒。以薩摩、長州為核心的倒幕派開始推動「公議政體論」，主張幕府還政於天皇為中心的大名聯席會議，建立統一國家。1867年9月，薩摩、長州、藝州三藩結合成為三藩倒幕同盟。土佐藩的志士?本龍馬勸告將軍德川慶喜主動奉還大政，希望藉此消弭倒幕派舉兵藉口，並擬定新的憲法草案，由將軍兼任上議院議長，天皇只具有法理的批准權，但不具否決權。朝廷接受了將軍的辭呈，但是將軍的野心卻不見得能夠順遂實施。大政奉還後，朝廷下令各藩主馬上前來京都共商國策，可是只有幾個藩主上京，絕大多數的藩主都按兵不動，因為他們不太清楚大政奉還是什麼一回事，以免得罪幕府。如果再這樣下去，朝廷只可要求幕府暫時繼續掌管政權，因為朝廷收回政權，卻命令不到全國各藩主。而倒幕派的薩摩藩及長州藩認為在這情況下，只有以武力推翻幕府政權，新政府才能順利成立。1867年12月8日，薩摩藩主島津忠義率領三千藩兵從鹿兒島分乘四艘軍艦前往京都，在此之前薩摩藩已有七千藩兵駐紮在京都，於是薩摩軍的總兵力達到一萬。長州藩則由藩主毛利內匠率領一千二百名諸隊隊員進駐大阪西方的西宮，另外又派遣一千三百名諸隊隊員進駐尾道候命。而安藝藩也派遣三百名藩兵進駐京都，雖然倒幕派已經佈好討幕陣勢，但是討幕之戰並沒有馬上發生，因為親幕的會津藩及桑名藩也派出重兵駐守京都，加上德川慶喜親自率領的幕府軍仍留在京都市內的二條城。倒幕派遂不敢輕舉妄動薩摩、長州兩藩結合公卿岩倉具視在12月9日發動王政復古，樹立以天皇為中心的新政府。新政府廢止幕府舊制，廢攝政、關白，在天皇之下新設總裁（皇族）、議定（公卿、諸侯）、參與（廷臣、藩士、庶人）等三個職位，並且在天皇皇宮小御所商議，將軍德川慶喜必須要「辭官納地」，意味著江戶幕府數百年來的專制統治徹底結束。新政府正式以天皇名義通告各國與各國駐日代表，宣告天皇政府成立，今後一切內外政事，皆由天皇決定。德川慶喜也不會束手就擒，聽任朝廷指揮，更不會把德川家所屬的領地納給天皇。於是德川慶喜必定違抗聖旨，倒幕派遂以此為理由，名正言順地發動討幕之戰。德川慶喜眼見自己在京都兵力不足，只好假裝同意會議的決定，但須與老中們商量過後才可答覆朝廷。另一方面為了避免與倒幕派在京都發生武力衝突，德川慶喜只有暫時率兵前往大阪。德川慶喜抵達大阪後立刻命令江戶派遣海、陸軍前來支援，而薩摩藩的西鄉隆盛暗中派人在江戶城破壞社會治安，讓幕府有後顧之憂，無法充分派遣軍隊支援德川慶喜，以及激怒幕府與新政府(倒幕派)正面衝突。1月26日德川慶喜終於按捺不住，一萬五千名幕府軍從大阪出發，到達淀城，翌日兵分二路，一支以桑名藩兵為先鋒向京都西南方的鳥羽推進，另一支以會津藩兵為先鋒向京都東南方的伏見推進。接獲幕府揮軍北上的消息後，新政府也馬上派兵前往鳥羽、伏見，鳥羽方面是以薩摩藩兵為主力，伏見方面則是以長州藩兵為主力。雖然新政府軍只得五千人，但新政府軍使用的是新式步槍，結果幕府軍被擊退。1月29日幕府軍打算撒回淀城再伺機反擊，不料，淀城的藩兵卻見風轉舵，拒絕讓幕府軍進城。幕府軍只好繼續南行，打算會合據守在淀川西岸的津藩藩兵來對抗新政府軍的追擊，可是津藩藩兵同樣背叛了幕府，竟然向幕府軍砲擊。士氣低落的幕府軍幾經艱難才回到大阪。德川慶喜深知大阪城守不住，便偷偷乘坐軍艦逃回江戶，於是整個關西地區就這樣落入新政府手上。鳥羽、伏見之戰後，幕府大勢已去，德川慶喜於3月5日離開江戶城，住進上野寬永寺，以示對新政府的不抵抗。4月6日西鄉隆盛與幕臣勝海舟在江戶達成無血開城的七項和平協議，協議包括德川慶喜隱退，幕府家臣全部遷出江戶城，軍艦武器全數交給新政府軍及交出江戶城等。就這樣統治日本長達二百六十年的德川幕府終於滅亡，1868年9月3日，天皇下詔書，把江戶改名為東京，10月23日，將年號改為明治，翌年4月，天皇從京都遷往東京，東京便成為日本的首都。令日本脫胎換骨的明治維新終於在1872年揭開序幕。