顯德元年（954年），柴榮即位，擢升趙匡胤執掌禁軍。此年，北漢、契丹聯軍入侵，柴榮御駕親征，雙方在澤州高平（今山西高平）擺開戰場。戰鬥將要展開的時候，寧江軍節度使樊愛能等人首先逃跑，後周軍十分危急。在此死生存亡關頭，趙匡胤振臂高呼：“主上面臨險境，我等當拼死一戰！”又讓禁軍大將張永德率弓箭手搶佔左邊高地。趙、張二人各率精兵兩千，左右夾擊，以死拼殺，頓挫敵鋒，加上柴榮親臨督戰，士氣大振。最終，北漢軍隊大敗潰逃。趙匡胤乘勝進攻河東城，焚燒城門，左臂被流箭射中，柴榮制止他再攻城。回師後，趙匡胤被任命爲殿前都虞候，領嚴州刺史。
顯德三年（956年）春，趙匡胤跟隨柴榮征伐淮南，首戰便在渦口（今安徽懷遠東北）打敗南唐軍萬餘人，斬殺南唐兵馬都監何延錫等人。南唐奉化軍節度使皇甫暉、常州團練使姚鳳率領號稱十五萬的軍隊，駐紮在清流關（今安徽滁州西郊關山中段），趙匡胤率軍將其擊敗。趙匡胤追到城下，皇甫暉請佈陣決勝，趙匡胤笑着同意。皇甫暉擺好陣式出戰，趙匡胤抱着馬脖子直衝南唐陣內，砍中皇甫暉的腦袋，將其與姚鳳一同擒獲。其父趙弘殷時任馬軍副都指揮使，率軍半夜時來到城下，傳呼開門，趙匡胤說：“父子誠然是至親，但是城門開關，卻是國家的事情。”等到天亮，趙弘殷才得以進城。定武軍節度使韓令坤攻下揚州，南唐軍又來爭奪，韓令坤主張退兵，柴榮命令趙匡胤率兵二千趕往六合。趙匡胤下令說：“揚州兵敢有過六合的，砍斷他們的腳。”韓令坤才固守揚州。趙匡胤不久在六合東面打敗南唐齊王李景達，斬殺一萬多人。回師後，趙匡胤被任命爲殿前都指揮使，不久又被加授爲定國軍節度使。
顯德四年（957年）春，趙匡胤跟隨柴榮出征壽春，攻克連珠寨，乘勢攻下壽州。回師後，柴榮又拜他爲義成軍節度使、檢校太保，仍任殿前都指揮使。此年冬，趙匡胤跟隨柴榮征伐濠州、泗州，充當前鋒。此時，南唐在十八里灘紮寨，柴榮剛剛商議用駱駝擺渡軍隊時，而趙匡胤已率先單騎橫渡而過，他的部下騎兵也緊隨他渡過了河，因而攻破南唐軍寨。又用繳獲的南唐戰艦乘勝攻克泗州。南唐在清口駐屯軍隊，趙匡胤跟柴榮兩翼分兵沿淮河東下，連夜追到山陽，俘獲南唐保義軍節度使陳承昭，因而攻下楚州。趙匡胤乘勝進軍，在迎鑾江口打敗南唐軍，直抵南岸，燒燬其營寨。又在瓜步攻破南唐軍，淮南最終平定。南唐中主李璟畏懼趙匡胤的威名，派遣使臣送給趙匡胤一封信，饋贈三千兩白金，企圖使用離間計。趙匡胤收到後，把白金全部送到內府，南唐的離間計失敗。
顯德五年（958年），趙匡胤改任忠武軍節度使。次年，柴榮北伐，趙匡胤擔任水陸都部署。到達莫州，先到瓦橋關，守將姚內斌投降；又打退幾千名契丹騎兵，關南平定。柴榮在行軍路上，審閱各地所上文書，得到一隻皮口袋，袋中有一塊三尺多長的木板，上面寫着“點檢作天子”，柴榮感到這件事十分奇怪。當時張永德任殿前都點檢，柴榮臥病回京，命趙匡胤任檢校太傅、殿前都點檢，以接替張永德。同年，柴榮駕崩，年僅七歲的柴宗訓（後周恭帝）繼位，趙匡胤改任歸德軍節度使、檢校太尉。
顯德七年（960年）正月初一，風聞契丹和北漢聯兵南下，宰相範質等人不辨真假，匆忙派遣趙匡胤統率諸軍北上抵禦。正月初二，趙匡胤統率大軍離開都城，夜宿距開封東北二十公里的陳橋驛（今河南封丘東南陳橋鎮），兵變計劃就付諸實踐了。這天晚上，趙匡胤的一些親信在將士中散佈議論，說“今皇帝幼弱，不能親政，我們爲國效力破敵，有誰知曉；不若先擁立趙匡胤爲皇帝，然後再出發北征”。將士的兵變情緒很快就被煽動起來。次日，趙匡胤的弟弟趙匡義（後改名光義，即宋太宗趙炅）和親信趙普見時機成熟，便授意將士將一件事先準備好的黃袍披在假裝醉酒剛醒的趙匡胤身上，並皆拜於庭下，擁立他爲皇帝。衆人呼喊萬歲的聲音幾裡外都能聽到。趙匡胤裝出一副被迫的樣子，說：“你們自貪富貴，立我爲天子，能從我命則可，不然，我不能爲若主矣。”
擁立者們一齊表示“惟命是聽”。趙匡胤就當衆宣佈：“回開封后，對後周的太后和幼主不得驚犯，對後周的公卿不得侵凌，對朝市府庫不得侵掠，服從命令者有賞，違反命令者族誅。”諸將士都應聲“諾”。趙匡胤於是率兵變的隊伍回師開封。
守備都城的主要禁軍將領石守信、王審琦等人都是趙匡胤過去的“結社兄弟”，得悉兵變成功後便打開城門接應。當時在開封的後周禁軍將領中，只有侍衛親軍馬步軍副都指揮使韓通在倉促間想率兵抵抗，但還沒有召集軍隊，就被軍校王彥升殺死。陳橋兵變的將士兵不血刃就控制了都城開封。
這時範質等人才知道不辨軍情真假，就倉促遣將是上了大當，但已無可奈何，只得率百官聽命。翰林學士陶谷拿出一篇事先準備好的禪代詔書，宣佈柴宗訓禪位。趙匡胤遂正式登皇帝位，輕易地奪取了後周政權，改封柴宗訓爲鄭王。由於趙匡胤在後周任歸德軍節度使的藩鎮所在地是宋州（今河南商丘），遂以宋爲國號，定都開封，改元“建隆”，史稱“宋朝”、“北宋”。
在結束五代十國局面的過程中，北宋統治者着重考慮的問題有兩個：一是如何重建中央集權的專制統治，使唐末以來長期存在的藩鎮跋扈局面不再繼續出現；二是如何使趙宋王朝長期鞏固下去，不再成爲五代之後的第六個短命王朝。
建隆元年（公元960年）末，宋太祖平定李筠及李重進叛亂後的一天，召見趙普問道：“爲什麼從唐末以來，數十年間帝王換了八姓十二君，爭戰無休無止？我要從此息滅天下之兵，建國家長久之計，有什麼好的辦法嗎。”
趙普精通治道，對這些問題也早有所考慮，聽了太祖的發問，他便說這個問題的癥結，就在於藩鎮太重，君弱臣強而已，治理的辦法也沒有奇巧可施，只要削奪其權，制其錢穀，收其精兵，天下自然就安定了。趙普的話還沒說完，宋太祖就連聲說：“你不用再說了，我全明白了”。
於是一個重建中央集權專制制度的計劃就這樣醞釀出來，並逐步付諸實施了。在北宋中央集權方面，最重要的是兵權，也是首先要解決的問題。範浚在《五代論》中指出：“兵權所在，則隨以興，兵權所去，則隨以亡”。這些話揭示了唐末五代以來，在政治局面變換中，兵權所起的決定性作用。從小軍官到殿前都點檢，又從殿前都點檢躍上皇帝寶座的趙匡胤，十分懂得軍事力量的重要作用。因此，宋朝一建立，他就吸取後周滅亡的教訓，加強了對禁軍的控制。
建隆二年（公元961年）太祖鑑於當時已控制局勢，就着手陸續採取了一些措施，把殿前都點檢鎮寧軍節度使慕容延釗罷爲山南東道節度使，侍衛親軍都指揮使韓令坤罷爲成德節度使。因爲殿前都點檢是宋太祖黃袍加身前擔任過的職務，從此不再設置。由石守信接替韓令坤任侍衛馬步軍都指揮使。起初太祖以石守信等人都是自己的故友，並不介意，趙普就向他數次進言說：“臣也不擔心他們會背叛陛下，但是如果他們的部下貪圖富貴，萬一有作孽之人擁戴他們，他們能夠自主嗎”？這些話實際上是提醒宋太祖，要他記住陳橋兵變的事件，避免類似的事件重演。果然宋太祖採取措施要解除禁軍高級將領的兵權。
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