显德元年（954年），柴荣即位，擢升赵匡胤执掌禁军。此年，北汉、契丹联军入侵，柴荣御驾亲征，双方在泽州高平（今山西高平）摆开战场。战斗将要展开的时候，宁江军节度使樊爱能等人首先逃跑，后周军十分危急。在此死生存亡关头，赵匡胤振臂高呼：“主上面临险境，我等当拼死一战！”又让禁军大将张永德率弓箭手抢占左边高地。赵、张二人各率精兵两千，左右夹击，以死拼杀，顿挫敌锋，加上柴荣亲临督战，士气大振。最终，北汉军队大败溃逃。赵匡胤乘胜进攻河东城，焚烧城门，左臂被流箭射中，柴荣制止他再攻城。回师后，赵匡胤被任命为殿前都虞候，领严州刺史。
显德三年（956年）春，赵匡胤跟随柴荣征伐淮南，首战便在涡口（今安徽怀远东北）打败南唐军万余人，斩杀南唐兵马都监何延锡等人。南唐奉化军节度使皇甫晖、常州团练使姚凤率领号称十五万的军队，驻扎在清流关（今安徽滁州西郊关山中段），赵匡胤率军将其击败。赵匡胤追到城下，皇甫晖请布阵决胜，赵匡胤笑着同意。皇甫晖摆好阵式出战，赵匡胤抱着马脖子直冲南唐阵内，砍中皇甫晖的脑袋，将其与姚凤一同擒获。其父赵弘殷时任马军副都指挥使，率军半夜时来到城下，传呼开门，赵匡胤说：“父子诚然是至亲，但是城门开关，却是国家的事情。”等到天亮，赵弘殷才得以进城。定武军节度使韩令坤攻下扬州，南唐军又来争夺，韩令坤主张退兵，柴荣命令赵匡胤率兵二千赶往六合。赵匡胤下令说：“扬州兵敢有过六合的，砍断他们的脚。”韩令坤才固守扬州。赵匡胤不久在六合东面打败南唐齐王李景达，斩杀一万多人。回师后，赵匡胤被任命为殿前都指挥使，不久又被加授为定国军节度使。
显德四年（957年）春，赵匡胤跟随柴荣出征寿春，攻克连珠寨，乘势攻下寿州。回师后，柴荣又拜他为义成军节度使、检校太保，仍任殿前都指挥使。此年冬，赵匡胤跟随柴荣征伐濠州、泗州，充当前锋。此时，南唐在十八里滩扎寨，柴荣刚刚商议用骆驼摆渡军队时，而赵匡胤已率先单骑横渡而过，他的部下骑兵也紧随他渡过了河，因而攻破南唐军寨。又用缴获的南唐战舰乘胜攻克泗州。南唐在清口驻屯军队，赵匡胤跟柴荣两翼分兵沿淮河东下，连夜追到山阳，俘获南唐保义军节度使陈承昭，因而攻下楚州。赵匡胤乘胜进军，在迎銮江口打败南唐军，直抵南岸，烧毁其营寨。又在瓜步攻破南唐军，淮南最终平定。南唐中主李璟畏惧赵匡胤的威名，派遣使臣送给赵匡胤一封信，馈赠三千两白金，企图使用离间计。赵匡胤收到后，把白金全部送到内府，南唐的离间计失败。
显德五年（958年），赵匡胤改任忠武军节度使。次年，柴荣北伐，赵匡胤担任水陆都部署。到达莫州，先到瓦桥关，守将姚内斌投降；又打退几千名契丹骑兵，关南平定。柴荣在行军路上，审阅各地所上文书，得到一只皮口袋，袋中有一块三尺多长的木板，上面写着“点检作天子”，柴荣感到这件事十分奇怪。当时张永德任殿前都点检，柴荣卧病回京，命赵匡胤任检校太傅、殿前都点检，以接替张永德。同年，柴荣驾崩，年仅七岁的柴宗训（后周恭帝）继位，赵匡胤改任归德军节度使、检校太尉。
显德七年（960年）正月初一，风闻契丹和北汉联兵南下，宰相范质等人不辨真假，匆忙派遣赵匡胤统率诸军北上抵御。正月初二，赵匡胤统率大军离开都城，夜宿距开封东北二十公里的陈桥驿（今河南封丘东南陈桥镇），兵变计划就付诸实践了。这天晚上，赵匡胤的一些亲信在将士中散布议论，说“今皇帝幼弱，不能亲政，我们为国效力破敌，有谁知晓；不若先拥立赵匡胤为皇帝，然后再出发北征”。将士的兵变情绪很快就被煽动起来。次日，赵匡胤的弟弟赵匡义（后改名光义，即宋太宗赵炅）和亲信赵普见时机成熟，便授意将士将一件事先准备好的黄袍披在假装醉酒刚醒的赵匡胤身上，并皆拜于庭下，拥立他为皇帝。众人呼喊万岁的声音几里外都能听到。赵匡胤装出一副被迫的样子，说：“你们自贪富贵，立我为天子，能从我命则可，不然，我不能为若主矣。”
拥立者们一齐表示“惟命是听”。赵匡胤就当众宣布：“回开封后，对后周的太后和幼主不得惊犯，对后周的公卿不得侵凌，对朝市府库不得侵掠，服从命令者有赏，违反命令者族诛。”诸将士都应声“诺”。赵匡胤于是率兵变的队伍回师开封。
守备都城的主要禁军将领石守信、王审琦等人都是赵匡胤过去的“结社兄弟”，得悉兵变成功后便打开城门接应。当时在开封的后周禁军将领中，只有侍卫亲军马步军副都指挥使韩通在仓促间想率兵抵抗，但还没有召集军队，就被军校王彦升杀死。陈桥兵变的将士兵不血刃就控制了都城开封。
这时范质等人才知道不辨军情真假，就仓促遣将是上了大当，但已无可奈何，只得率百官听命。翰林学士陶谷拿出一篇事先准备好的禅代诏书，宣布柴宗训禅位。赵匡胤遂正式登皇帝位，轻易地夺取了后周政权，改封柴宗训为郑王。由于赵匡胤在后周任归德军节度使的藩镇所在地是宋州（今河南商丘），遂以宋为国号，定都开封，改元“建隆”，史称“宋朝”、“北宋”。