從崇禎十四年起，農民起義走向最後勝利階段，形成李自成和張獻忠兩大主力軍，分別在北方和南方發展，攻城掠地，節節勝利。張獻忠攻破襄陽後，又幾經挫折，北進河南為明軍所敗，於窮蹙之餘往投李自成，彼此不能合作，乃東走英霍山區，勢復振，始向西再度進人湖廣。
大西政權的建立
崇禎十六年三月，張獻忠攻下黃州（今湖北黃岡），由西府八大王改稱西王。五月，獻忠又連下漢陽、武昌。既下武昌，首執楚王朱華奎投之江中，殺明朝宗室，散發楚王府積金賑濟饑民。由是獻忠稱大西王，鑄印日「西王之寶」，改武昌為天授府，以楚王府為西王府。
一時獻忠所轄地區，約有30多個州縣。此時李自成已在襄陽建立政權，大有進軍漢陽之勢，明軍左良玉也沿江而上，準備進攻武昌。崇禎十六年七月末，張獻忠遂放棄武昌南走，所得之地復歸明軍。
張獻忠自武昌揮戈南下，攻克岳州，占領長沙，進抵衡州，並分兵四處掠地。復還長沙，大封侯伯，開科取士，建造宮殿，並傳檄遠近，宣稱「所屬州縣士民，照常樂業，錢糧三年免徵」。人民久罹加派之苦，驟聞「免徵」之令，皆歡喜雀躍，爭相傳播。
農民軍所到之處，人民或假獻忠名號攻破城池以獻，或為內應開門迎降。張獻忠在長沙時，深受人民擁護，聲勢隆盛。但他以為此地未易進取，莫如四川易守難攻，遂決計人四川。崇禎十六年十二月，放棄長沙，由岳州渡江而去，所有地盤復人明軍之手。
崇禎十七年正月，張獻忠入四川。七月克重慶，八月破成都。占領成都後，即派兵四出，分取各地，除遵義地方及石柱等土司外，四川各州縣大都收歸所有。十一月，獻忠在成都正式建國，國號大西，年號大順，稱大西王，以成都為西京，以蜀王府為宮殿，並且次第展開一些設施，使大西政權初具規模。
在行政組織方面，成立內閣、六部等機構。內閣用汪兆齡、嚴錫命為左右丞相，六部各設尚書。在軍制方面，設有五軍都督府，以重要將領為都督統兵。軍隊編為120營，約有數十萬人。各營設總兵官，上統以都督。
設置四將軍，孫可望為平東將軍，李定國為安西將軍，劉文秀為撫南將軍，艾能奇為定北將軍，四人並封為王，各領若干營。四將軍共領70營，成為農民軍攻戰的主力。
但是，大西政權建立後，未能擺脫流寇主義的影響，不知如何有效地去鞏固與建設根據地，乃至在軍事上不能保持勝利，在生產經濟上無所作為，所以存在不過兩年，便在清朝軍隊的攻擊下瓦解了。
大順政權的建立
自李自成於張獻忠谷城再起後，也出山收兵戰鬥，但初為陝西總督鄭崇儉所敗，又為督師楊嗣昌圍於巴西魚腹山中，部眾散亡殆盡，再度陷於大困。不久，明軍主力集中在四川圍剿張獻忠，河南防務空虛，這就給予李自成在河南崛起的有利時機。
李自成一入河南，饑民從者數萬，聲勢復振，於是占永寧（今洛寧），下宜陽，眾至數十萬。次年正月，李自成攻破洛陽，殺福王朱常洵，發福王府金銀及富室窖藏賑濟貧民，由是遠近饑民從者如流，兵勢益盛。
除去饑民窮民外，這時還有一些讀書人參加了農民軍，其中最重要的是河南杞縣諸生李岩和盧氏舉人牛金星，此外還有宋獻策。他們勸李自成收拾民心，嚴明軍紀，延攬人才，以取天下。李自成用之為謀主，凡一切軍政大事，皆與之計議，有所採納。這些人的歸附，對李自成的興亡有重要影響。
崇禎十三、十四年間，李自成在河南明確地提出「均田」、「免糧」的口號，這是在李岩的建議下提出的。這一口號是針對著明末土地高度集中和賦稅繁重兩大弊病而發的，符合廣大人民要求得到土地與減免賦稅的普遍希望，因而足以激動人心與號召群眾。特別是「免糧」口號更為風動一時，因為它比「均田」口號來得更為切實可行。
李自成在河南聲勢日盛，附近小股農民武裝如瓦罐子、一斗谷及袁時中（自號小袁營)等皆先後來歸附。原與張獻忠合作的有實力的羅汝才也來投奔，甚至久居英霍山區的左金王、革里眼等「左革五營」也來相合。從此李自成的兵馬更擴大，崇禎十四年有眾50萬，次年已號稱百萬了。
明軍過去是以主力對付張獻忠，現在則是以主力對付李自成。李自成既有河南全省之後，又統兵南進湖廣。崇禎十五年十二月破襄陽、荊州，十六年正月破承天，並移檄黃州，不出數月之間，湖廣北部各州縣皆在控制之下。
李自成欲以荊、襄為根本，在所占地區均部署諸將鎮守，並派官治理。李自成駐襄陽，進稱新順王，改襄陽為襄京，修襄王宮殿居住。又建立中央和地方軍政制度。
在這期間，李自成先後襲殺左金王、革里眼、羅汝才及袁時中等，合併其眾，因他們「據土稱王」，各謀「自成軍」，仍以「橫行天下為快意」。
崇禎十六年夏，李自成召集文武要員會議，商討作戰方針。左輔牛金星主張先取河北，直搗北京。禮政府侍郎楊永裕主張先取金陵（南京），截斷漕運，坐困京師，然後北伐。兵政府從事顧君恩主張先定關中，然後攻取山西，進搗北京。
這三種方案的選擇實際上關係到農民軍的成敗。當時國內存在著明王朝、關外清軍和農民軍三種軍事力量。第一、第三種方案均以攻占北京為目標。農民軍攻占北京後，將直接面對關外虎視眈眈的滿洲清軍，從而使農民軍陷入南北夾擊不利的戰略地位。
第二種方案實為上策。南京作為明朝的留都仍有軍事和經濟實力，以農民軍的實力完全可以一舉攻占，這樣崇禎皇帝在北京則處於滿洲清軍和農民軍的夾擊之下，崇禎皇帝不可能放棄山海關防線，這樣就延緩了農民軍過早與清軍遭遇，可以從容進行政權建設，擴充經濟實力，等待時機成熟，直搗北京，再與清軍抗衡，那麼鹿死誰手，尚未可知。
可惜李自成採納的是第三種方案。以後農民軍雖然攻城占地，節節勝利，但是潛存的戰略失誤造成的危機也隨之步一步地逼近。正當李自成準備西入關中之時，明廷又命陝西總督孫傳庭為督師，領兵出關，向李自成進攻。
明軍孤注一擲，對農民軍發動最後一次進攻。李自成遂率大軍北上決戰，九月，在河南郟縣和明軍對壘。時大雨連旬，李自成以輕騎切斷明軍糧道，乘明軍乏食自亂攻之，斬殺4萬餘人。孫傳庭大敗退守潼關。於是李自成親提大軍西征，十月破潼關，孫傳庭戰死，十月克西安，占有今陝西全省，並分兵取得今寧夏銀川及甘肅蘭州、武威、張掖等地。
崇楨十七年元旦，李自成在西安大事建置，以西安為西京，國號大順，年號水昌。
大順軍在北京
崇禎十七年二月，李自成統兵從西安出發，渡黃河東入山西，對明朝進行最後的衝擊。二月八日破太原，三月一日破寧武關。明總兵周遇吉憑寧武關死戰，農民軍傷亡7萬餘人，這是李自成進軍北京途中所遇到的最大抵抗。接著，明大同、宣府、陽和、居庸關守軍紛紛投降。
三月十六日，李自成由居庸關人昌平，焚毀明十二陵享殿。三月十七日，農民軍進圍北京，明城外三大營皆遺降。三月十八日，明太監曹化淳開彰義門，農民軍進占外城。
三月十九日，明崇禎帝自縊於萬歲山（今北京景山）樹上。是日農民軍破內城各門，李自成「氈笠縹衣，乘烏駁馬」進城，入承天門（天安門），登皇極殿。由是明朝的統治崩潰了。
李自成進城後，在軍政方面採取一系列措施，以穩定局勢。政權組織形式大抵因襲明朝制度，而職官名稱則多所更易。
農民軍還對明朝官僚縉紳採取追贓助餉的措施，由比餉鎮撫司專管此事。凡官僚縉紳，按其品職高低定出銀數多寡，內閣10萬，部院、堂官、錦衣7萬、5萬3萬，科道、吏部、兵部、翰林3萬、2萬，部屬以下各以千計，勛戚則無定數。官僚縉紳如不肯照數納銀，則用刑拷索。
在北京追贓的結果，共獲白銀7000萬兩。同時，農民軍派往河北、山東、河南等地的地方官，下車的首要任務，也都是勒令縉紳輸銀助餉。這是一項從經濟上、政治上打擊官僚地主的措施，也是農民軍籌措軍餉的重要手段。
農民軍人城後，沒有重申「均田」的口號，但並未放棄這一口號。崇禎十七年夏，李自成派官至山東諸城縣，群眾紛紛起來，奪占了地主丁耀亢兄弟的莊田。與此同時，鄉紳厲寧在日照、諸城兩縣的田產和牛馬，也全為兩縣人民瓜占。這說明「均田」口號並未從農民軍的旗幟上抹掉，它依然在鼓舞著貧苦農民從事奪取土地的鬥爭。
但是，大順軍在北京也犯了一些錯誤，終至於轉勝為敗，最後退出北京。農民軍在北京的追贓助餉措施，打擊面過寬，幾乎對明朝官吏普遍追贓助餉，並且用刑拷掠。明朝報名投順的文武官員3000餘人，除掉授官職的，上至勛戚大臣，下至雜流武弁，多不能免。
僅由劉宗敏收拷的大小官吏，就有一二千人。劉宗敏製造夾棍5000副散發各營，夾人無不骨碎。明官被夾者甚多，被夾致死者也不少。農民軍追贓助餉過度，在明朝官僚中談虎色變，以致不能爭取更多的人支持新政權，這對農民政權的穩定是很不利的。
農民軍進人北京後，更犯了勝利時驕傲的錯誤。上自將軍，下至士卒，都沉醉於這一新的天地，以為戰鬥已經結束，勝利已經在手，可以高枕無憂，安然無事了。李自成放兵人城，不知再事訓練，漸至難以駕馭。
昔日秋毫無犯的優良作風，現在逐漸不能保持了。劉宗敏住進勛戚田弘遇宅，門前每多美婦人出入。李自成人官，即喚小唱梨園數十人人宮。而於天下大勢，也同樣棄置不問。
這樣，農民軍上下鬆弛，全為眼前的勝利所陶醉，將軍事鬥爭置諸腦後，鬥志漸不如前。農民軍對關外清軍也缺乏警惕性，完全沒有估計到清軍會在這時進入中原，因此對明朝山海關守將吳三桂所處的地位及其向背問題也就沒有給予足夠的重視，以致沒有解決好吳三桂的問題，不能有效地防止清軍的進攻。
最終導致吳三桂棄李降清，給清軍打開了入關之門。不久，山海關一戰，李自成的農民軍為清朝及吳三桂的聯軍所敗，從此遂一蹶不振，開始走上了失敗的道路。