Năm 1426, sau thất bại ở trận Tốt Động, Chúc Động, Vương Thông muốn hòa, các ngụy quan Lương Nhữ Hốt, Trần Phong, Trần An Vinh đem lời xúi giục Vương Thông. Vương Thông đổi ý, đào hào sâu, đắp lũy phòng thủ, mặt khác sai thám tử đưa thư về xin viện binh. Lê Lợi bắt được thư này, 2 bên chấm dứt thời gian hòa hoãn.[2]

Lê Lợi chia quân đi đánh các thành, sai Lê Thụ cùng; Lê Sát, Lê Lý, Lê Lãnh và Lý Triện công thành Xương Giang.[3]

Tháng 9, năm 1427, viện binh quân Minh kéo sang Đại Việt gồm 2 đường, Tổng binh Chinh lỗ tướng quân Thái tử thái phó An Viễn hầu Liễu Thăng, Tham tướng Bảo Định bá Lương Minh, Đô đốc Thôi Tụ, Binh bộ thượng thư Lý Khánh, Công bộ thượng thư Hoàng Phúc, thổ quan Hữu bố chính sứ Nguyễn Đức Huân đem hơn 10 vạn quân và 2 vạn ngựa đánh vào cửa Pha Lũy. Chinh Nam tướng quân thái phó Kiềm quốc công Mộc Thạnh, Tham tướng Hưng An bá Từ Hanh, Tân Ninh bá Đàm Trung đem 5 vạn quân và 1 vạn ngựa đánh vào cửa Lê Hoa. Cả hai đều đã tới đầu địa giới.[4]

Lê lợi sai Lê Sát, Lưu Nhân Chú, Lê Lãnh, Lê Thiệt cùng Lê Thụ đem 1 vạn quan, 5 thớt voi, bí mật mai phục trước ải Chi Lặng [5] đợi quân Minh.

Trước đó, Lê Lựu giữ cửa Pha Lũy, thấy quân Minh đến, lui về giữ cửa ải Lưu[6] quân Minh tiến đánh, Lê Lựu lại lui về đóng ở Chi Lăng. Quân Minh áp sát uy hiếp Chi Lăng. Lê Sát và Lưu Nhân Chú mật sai Lê Lựu ra đánh rồi thua chạy, quân minh đốc suất đại quân đuổi theo, đến chỗ mai phục, cánh quân Lê Sátt, Lưu Nhân Chú và Lê Lựu đổ ra đánh, quân Minh thua to, Liễu Thăng bị chém ở núi Mã Yên.[7]

Ngày 25, Lê Lợi lại sai Lê Lý và Lê Văn An đem 3 vạn quân tiếp đến ải núi Mã Yên. Lê Sát và Lưu Nhân Chú chỉ huy các quân tung hết binh sĩ ra đánh giặc, chém Bảo Định bá Lương Minh tại trận.[7]

Ngày 28, Lý Khánh chết. Thôi Tụ và Hoàng Phúc dẫn quân miễn cưỡng tiến lên. Lưu Nhân Chú lại đánh bại bọn chúng, chém được hơn 2 vạn thủ cấp, bắt được lừa ngựa, trâu bò, quân tư khí giới nhiều không kể xiết.[7]

Mùa đông, tháng 10, vua sai Lê Lý và Lê Văn An đem 3 vạn quân bao vây bốn mặt, lại dựng rào lũy ở tả ngạn sông Xương Giang để ngăn chặn. Thôi Tụ không còn mưu kế gì khác, đành phải đắp lũy giữa cánh đồng để tự vệ. Thôi Tụ đường cùng xin hòa, Lê Lợi không chấp thuận.[7]

Lê Lợi sai Trần Nguyên Hãn cắt đường vận lương, sai Phạm Vấn, Lê Khôi đem 3 nghìn quân Thiết đột, 4 voi cùng với cánh quân Lê Sát, Lưu Nhân Chú, Lê Văn An tấn công. Ngày 15, quân Minh đại bại, bị chém 5 vạn người, Thôi Tụ, Hoàng Phúc bị bắt sống, 3 vạn người bị bắt. Nghĩa quân Lam Sơn thu vũ khí ngựa chiến, vàng bạc, vải lụa nhiều không kể xiết.[7]

Khởi nghĩa Lam Sơn kết thúc, ngày 3, tháng 5, năm 1429, Lê Lợi ban biển ngạch công thần cho 93 viên, Lê Thụ được ban tước Huyện hầu.[8]