至正十七年九月，由關先生（關鐸）、破頭潘（潘誠）、馮長舅、沙劉二等率領的中路軍，逾太行山，取陵川、高平，克潞州（今山西長治），進攻冀寧（今山西太原），被察罕帖木兒所敗，退入太行山。
至正十八年二月，東路軍毛貴由河北進攻大都，為分散敵軍力量，毛貴遣其部將王士誠、續繼祖等自益都出兵，進攻懷慶路，殺元懷慶路總管王得貞。三月，王士誠取晉寧路，殺總管杜賽因不花，並與關先生等所率的中路軍相合。
劉福通命中路軍分兵兩路：一路攻絳州（今山西新絳）；一路由沁州出發，攻冀寧（今太原）、代州、大同，“烽火數千裏，複大掠南且還”。中路軍分兵兩路的意圖是北上與東路軍形成對大都的包圍。但這時毛貴已在大都附近受挫退回山東，故中路軍北至大同後南還。可惜，他們回軍途中遭察罕帖木兒伏擊，歸路被元軍截斷。
至正十八年五月，察罕帖木兒將董克昌收複冀寧。六月，關先生、破頭潘等克遼州（今山西左權），旋被察罕帖木兒將虎林赤擊走，而關先生軍再克冀寧。九月，關先生等攻保定，不克，轉而攻克定州。十月，占領大同，北上進攻興和（今河北張北）。十二月，關先生、破頭潘攻克上都（今內蒙古正藍旗東北）。上都為元廷夏都，築有宮闕官署，中路軍予以焚毀，逗留七天，中路軍又攻破全寧（今內蒙古翁牛特旗），焚魯王府，進克遼陽，並以遼陽為基地，準備進攻高麗。
劉福通就在這時置遼陽行省，任命關先生、破頭潘、沙劉二等為平章，並讓他們遠征高麗。
至正十九年（1359）二月，紅巾軍發布致高麗王書稱：“慨念生民久陷於胡，倡義舉兵，恢複中原，東逾齊魯，西出函秦，南過閩廣，北抵幽燕，悉皆款附。如饑者之得膏粱，病者之遇藥石。”（《高麗史·恭湣王傳》）十一月，紅巾軍前鋒渡鴨綠江。十二月，紅巾軍在毛居敬率領下攻占義州、靜州、麟州、西京（今平壤）等地。至正二十年正月，紅巾軍在西京戰敗，退走。三月，紅巾軍從海路進攻高麗西北沿海諸州，旋退去，但仍在高麗駐軍。至正二十一年九月，關先生、沙劉二、破頭潘等率十餘萬紅巾軍渡鴨綠江攻朔州。十二月，攻占開京（今開城），迫使高麗恭湣王南逃。至正二十二年正月，高麗軍收複開京，關先生、沙劉二被殺，破頭潘率餘眾敗退遼陽。這年四月，遼陽行省兵邀擊紅巾軍餘眾，破頭潘被俘，中路軍殘部投降元軍孛羅帖木兒。
西路軍方麵，至正十六年九月，劉福通遣李武、崔德進兵陝西。李武、崔德首戰即破潼關，元陝西行省參政述律傑戰死。紅巾軍又克陝州、虢州（今河南靈寶），扼崤函。答失八都魯急調察罕帖木兒、李思齊阻截，李武、崔德折往晉南，取平陸、安邑（今山西運城東北），遭察罕帖木兒追襲，紅巾軍潰散。十七年二月，李武、崔德重振隊伍，占領商州，攻武關，取七盤，據藍田，直抵灞上，進逼陝西行省首府奉元路（今西安），分兵攻同（今陝西大荔）、華諸州，三輔震恐，陝西省台告急。元廷命察罕帖木兒、李思齊、劉哈剌不花等來援，紅巾軍敗走南山，入興元。李武、崔德在之後與元軍的作戰中屢戰屢敗，多次受到劉福通斥責，至正二十一年（1361）五月，向元軍將領李思齊投降。
至正十七年六月，劉福通又命白不信、李喜喜組成西路軍北伐陝西，與李武、崔德的軍隊相照應。十月，紅巾軍取興元，克鳳翔，察罕帖木兒、李思齊擊走之，紅巾軍退入四川。是年底，白不信等又攻入秦（今甘肅天水）、隴（今陝西隴縣），據鞏昌（今甘肅隴西），再攻鳳翔。次年正月，白不信敗入四川。四月，察罕帖木兒糾集陝西各路元軍進攻鞏昌李喜喜，李喜喜敗入蜀。這時徐壽輝的天完證權已經分烈為陳友諒的大漢證權和明玉珍的大夏證權兩部，敗退到四川的紅巾軍為徐壽輝天完證權的部將明玉珍所不容，李喜喜又率餘部到武昌，投奔了陳友諒。