Nghe tin viện binh nhà Minh từ Vân Nam do Vương An Lão chỉ huy sắp tiến sang theo đường Hưng Hoá. Lý Triện bèn cùng Phạm Văn Xảo chia quân làm hai cánh: Phạm Văn Xảo cùng Trịnh Khả tiến lên Tây bắc đánh chặn Vương An Lão, còn LÝ Triện đóng đồn phía tây Ninh Giang (đoạn sông Đáy chảy qua Hoài Đức, Quốc Oai, Chương Mỹ, Thanh Oai của tỉnh Hà Tây) uy hiếp Đông Quan. Tháng 9 năm 1426, Lý Triện đánh tan quân Minh ở cầu Nhân Mục, chém hơn 1000 quân địch, bắt được tướng Vi Lượng. Phạm Văn Xảo và Trịnh Khả đánh tan viện binh Vân Nam, quân Minh thua trận bỏ chạy vào thành Tam Giang.

Thấy quân chủ lực của địch bỏ Nghệ An, Lê Lợi mang đại quân tiến ra bắc đóng ở Thanh Hoá. Vua Minh điều Vương Thông mang quân sang tiếp viện. Thông hợp binh ở Đông Quan được 10 vạn người, thấy quân mình liên tiếp bại trận dưới tay Lý Triện chia ba đường cùng đánh đạo quân của ông: Thông tự cầm một cánh quân đóng ở Cổ Sở, Phương Chính và Lý An đóng ở cầu Sa Đôi (Từ Liêm), Sơn Thọ và Mã Kỳ đóng ở cầu Thanh Oai, dinh luỹ các đạo quân nối liên vài chục dặm, cờ xí rợp đồng, giáo mác rực trời, rao rêu chỉ cần đánh một trận là bắt được toàn bộ nghĩa quân.[7]

Trước thế quân Minh mạnh, Lý Triện và Đỗ Bí quyết định chủ động đánh từng cánh quân. Ông đặt phục binh ở Cổ Lãm (thuộc huyện Thanh Oai) rồi mang quân khiêu chiến trại của Thọ và Kỳ trước rồi giả thua chạy. Thọ và Kỳ mang quân đuổi theo, đến vùng ruộng lầy, phục binh của Lý Triện đổ ra đánh, quân Minh thua to[8]. Hai tướng Minh bỏ chạy về Cổ Sở. Lý Triện thừa thế đánh sang quân Phương Chính, Chính cũng bỏ chạy về với Vương Thông.

Lý Triện nhân đà thắng lợi, hôm sau tiến đánh Vương Thông ở Cổ Sở. Thông thấy quân bị thua đã phòng bị trước, quân Lý Triện bị đánh bại phải rút chạy. Ông phá huỷ trại cũ và sai người cầu cứu Đinh Lễ, Nguyễn Xí. Hai cánh quân họp nhau ở Cao Bộ. Nguyễn Xí bắt được thám tử của Vương Thông, biết Thông định chia đường đánh úp quân Lý Triện bèn tương kế tựu kế dụ Thông vào cánh đồng Tốt Động, Chúc Động[9]. Bộ quốc sử Khâm định Việt sử thông giám cương mục do sử thần đời Nguyễn biên soạn có thuật lại về trận Tốt Động – Chúc Động như sau:[10]

"Nghe nói các tướng Đinh Lễ và Lê Xí đang đóng quân ở Thanh Đàm, Triện liền sai báo gấp cho họ đến tiếp ứng. Bọn Lễ và Xí lựa lấy ba nghìn quân tinh nhuệ và hai thớt voi, tức tốc ngay ban đêm, đến hội quân ở Cao Bộ. Họ chia quân đặt phục ở Tốt Động và Chúc Động.Bắt được gián điệp của địch, ta biết Thông đã tiến đóng ở Ninh Kiều, ngầm cho kỳ binh tiền nhanh đến phía sau quân Triện, còn chính binh của Thông sẽ vượt sông tiến lên phía trước. Chúng hẹn nhau hễ nghe tiếng súng pháo nổ, thì các mũi quân địch cùng lúc đánh khép lại. Hồi canh năm đêm ấy, bọn Lễ sai quân bắn súng pháo ở nơi yếu hại để đánh lừa giặc. Giặc nghe súng nổ, đều đỗ xô đi chiếm lấy chỗ thuận lợi. Chúng lùa quân đi tắt vào. Bấy giờ trời mưa, đường lầy lội, chúng kéo đến Tốt Động, bị phục binh ta bốn bề nổi dậy. Quân ta hợp sức lại, hăng hái chiến đấu, cả phá dược quân giặc."

Trận Tốt Động – Chúc Động kết thúc với thắng lợi giòn dã của nghĩa quân Lam Sơn do Lý Triện và các tướng khác chỉ huy. Bên phía Minh, Binh bộ thượng thư Trần Hiệp, Nội quan Lý Lượng và 5 vạn quân tử trận 1 vạn quân bị bắt sống. Số quân chết đuối ở sông Ninh Giang cũng rất nhiều, làm tắc nghẽn cả khúc sông. Ngoài ra ngựa, quân tư khí giới bị tịch thu nhiều không kể xiết. Vương Thông bị thương, cùng Phương Chính và Mã Kỳ về cố thủ ở Đông Quan.[10]