倒幕派軍隊的主力是日本西南部的薩摩藩和長州藩的部隊。長州藩早就進行了軍事改革，廢除了以往作為藩兵基本編制的八組，建立了壹支以奇兵隊、集義隊、遊擊隊、膺懲隊等諸隊為主力的新軍。奇兵隊是高杉晉作以“聚集有誌者，不論藩士、陪臣和輕卒，都同等對待”為口號建立的“平民軍隊”。市醫出生熟諳西方近代軍事知識的大村益次郎為了加強部隊的戰鬥力，還積極進行了軍事武器裝備方面的改革，把落後的火繩槍等舊式武器賣掉，從長崎的英商那裏買到法國造米涅步槍四千三百支，荷蘭造蓋貝爾步槍三千支。1866年，薩摩藩模仿英國編制，組建了以小銃隊、城下隊和外城隊為主力的新軍。和長州軍壹樣，薩摩軍也裝備了從西方進口的新式槍炮。
但是，倒幕派面對的絕不是僅僅裝備武士刀的對手，幕府在存亡危機的壓力下也進行了軍事改革。 由於優勢的幕府海軍此時已經控制了日本的海運大動脈——瀨戶內海的制海權。倒幕派只有力爭大勝，奪取大阪這個幕府的陸海軍基地，才能保障京都乃至整個關西的安全。如同西方軍事家克勞塞維茨在《戰爭論》中所說：“主力會戰，正像我們以後還要詳細說明的那樣，是最好的手段。誰害怕大的決戰而逃避主力會戰，通常誰就要自食其果”，雙方在京畿的戰鬥，既是戊辰戰爭的初戰，同時也是決戰。
1月2日下午，幕府軍進據京都南十二公裏左右的澱城（但最高統帥德川慶喜卻壹直遠在後方大阪）。隨即分兵兩路，主力東出伏見，由陸軍奉行竹中重固指揮，率領幕府軍及會津等藩兵及“新選組”等，兵力約八千人，當晚駐伏見奉行所。1868年1月3日（慶應3年12月9日），倒幕派在朝廷發起宣告將政權交歸天皇的政變（大政奉還）。在王政復古中，新政府的小禦所會議上，決定了要幕府將軍德川慶喜向朝廷返還官位和領地（辭官納地）。此事刺激了擁護幕府的會津藩、桑名藩的藩兵從大阪向京都進軍，同以薩摩和長州兩藩軍隊為主力的政府軍在京都南郊的鳥羽、伏見發生沖突，即鳥羽伏見之戰（日語：鳥羽?伏見の戦い）。 倒幕軍在鳥羽布置有壹個半月形陣地，從東邊的中島到鴨川西岸的小枝，守軍有薩摩兵二千及壹部分長州兵。1月3日下午，幕府軍要求守軍讓路並下令強行通過，薩摩守軍首先開炮，第壹發炮彈就擊中幕軍縱列頂部的壹個炮兵隊，隨即又是雨點般的槍擊，幕府軍頓時大亂。後來幕府軍好不容易才組織還擊，京都的憲兵警察組織“見回組”還進行了白刃沖鋒，但這些精於刀劍的武士立即被槍彈擊退。入夜，幕府軍無法抵禦討幕派的夜襲，遂連夜逃回澱城。
伏見在鳥羽之東，是京都南約六公裏的壹個小市鎮，西濱賀茂川，東靠桃山。奉行所在它的東南角，由土墻和巨屋所圈圍，在當時的火力條件下，算得上是壹個牢固的堡壘。同鳥羽方面壹樣，官軍也有壹個半月形陣地，占據了桃山制高點，從三面包圍著伏見奉行所。守軍有長州兵壹千八百人、薩摩兵壹部和土佐藩的三百人。幕府軍多次沖擊倒幕派的陣地，曾壹度占領桃山，後都被打退。入夜，倒幕派照樣進行夜襲，到4日黎明，幕軍被迫退回澱城。這樣，幕軍在鳥羽、伏見兩個戰場都遭受慘敗。
戰端壹啟，1月3日中午，朝廷便宣布德川幕府為“朝敵”決定討伐。4日朝廷以仁和寺宮為征討大將軍，下令征討幕府軍。午後二時左右，仁和寺宮嘉璋親王捧天皇禦賜錦旗和節刀到達東寺的官軍大營，倒幕軍士氣為之大振，乘勝展開追擊。倒幕官軍的實際最高指揮西鄉隆盛欣喜地寫道：“3日到6日，沒有後退壹步，沒有壹點失敗，如此徹底大勝的軍隊實在未曾有過”。幕府軍連戰連敗被迫退往大阪。 鳥羽、伏見戰役慘敗後，原先效忠幕府的各藩紛紛倒戈。幕府軍敗退後曾欲固守澱城，澱城藩是德川幕府的“譜代大名”（指德川家康奠定霸業前即臣服的諸侯，相當其嫡系），就在三天前還是幕府軍的前線指揮部，但此時卻斷然拒絕幕府軍入城，並開城歡迎倒幕官軍。甚至“禦三家”（和將軍家有血緣關系，有權使用德川姓氏並在將軍無嗣的情況下繼承幕府）之壹的紀州藩也借“勤王”之名保持中立。真可謂大樹將傾，眾叛親離！
大阪久有“金城湯池”之稱，又有“大阪富庶，雄於天下”之說。然而此時在大阪的幕府軍最高統帥將軍德川慶喜，卻已經喪失了戰鬥意誌，於元月7日早晨拋下尚在戰鬥的軍隊，與幕府重要官員松平容保（會津藩藩主）、松平定敬（桑名藩藩主）、老中（直屬將軍統轄政務的最高官職）板倉勝靜等乘旗艦“開陽”號逃回江戶。大阪城中的幕府軍聞訊後盡皆驚愕，遂作鳥獸散。海軍副總裁榎本武揚只得將城中藏金十八萬兩搬上軍艦，並接載部分傷兵馳向江戶。8日，長州藩部隊進入大阪，宣告幕府軍在京畿決戰中的徹底失敗。 幕府軍在京畿戰場上的失敗，首要原因固然是政治上的倒行逆施不得人心，京都壹帶的市民、商人和農民給了官軍極大的支持。西鄉記錄道：幕府在“京攝之間，人心喪盡，……伏見壹帶，雖有兵火燒過，但每有薩（摩）長（州）兵隊經過，“男女老少則出於路旁，合手禮拜，連聲道謝。戰場上也有送糧食，燒開水，酌酒犒勞戰兵者。比本藩人民還要好些。”但幕府軍在軍事戰略上的失誤無疑也是重要原因，幕府軍本可以直屬部隊為主力，沿澱川北上，直叩京都南門，另由稱為“佐幕雙璧”的悍勇的會津、桑名藩兵取道連接江戶和京都的幹線道路“中山道”，從關原(琵琶湖東北、1600年德川家康曾在此地獲勝從而奠定德川幕府的霸業)和鈴鹿峠，徑向京都東邊門戶大津，兩邊夾擊，逼倒幕派官軍向西退卻。但幕府軍卻以臃腫的隊形，集全部人馬出於澱川壹路，態勢凝重呆板。果然，戰事失利後這種壹窩蜂的進軍便化作壹窩蜂的潰退。
京畿戰場勝利後，天皇於元月7日下達了“征討慶喜令”，16日撤掉德川慶喜前內大臣職務，剝奪會津、桑名等頑固佐幕派的領地和官職，宣布將舊幕府領地列為朝廷領地。新政府為爭取反幕勢力，1月12日下令“幕府領地今年租稅減半”，此舉為新政府贏得了民眾更多的支持。新政府為使天皇政權獲得歐美各國的承認，1月15日派使者去神戶，向各國公使面交國書。其內容：天皇親裁內外政事；過去條約稱大君，今後改稱天皇；承認舊幕府和外國所訂條約；對內批判幕府的過錯，對外采取開國友好方針。各國承認新政府和舊幕府為對等的交戰團體，宣告戰爭中局外中立。但法國暗中支持幕府，英國商人則把大批武器賣給倒幕派。2月6日改東海、東山、北陸三道鎮撫總督為先鋒總督兼鎮撫使，9日任命政府總裁有棲川宮熾仁親王為東征大總督，西鄉隆盛等人為參謀。倒幕派官軍由西鄉隆盛等指揮，在“萬民歡呼之中”，從戰略防禦轉入戰略反攻。東征軍以薩長兵為主力，號稱5萬軍馬，2月11日開始依次出發，15日熾仁親王被天皇親自授予錦旗、節刀踏上了征途。長州藩士品川彌二郎見其軍威作俚謠廣為流傳。歌詞曰：“親王親王禦馬前，隨風飄揚的是何物？咚咚咚呀咧咚，君不知那是征伐朝敵的禦錦旗？” 東征的官軍進展神速，2月，“佐幕雙璧”之壹的桑名藩不戰而降。3月，德川氏發祥地三河亦落入官軍之手。