Tháng 8 năm 1426, sau khi làm chủ từ Thanh Hoá đến Thuận Hoá, Lê Lợi chia quân cho các tướng làm 3 cánh bắc tiến. Phạm Văn Xảo, Đỗ Bí, Trịnh Khả, Lê Triện ra phía Tây bắc, Lưu Nhân Chú, Bùi Bị ra phía Đông bắc; Đinh Lễ cùng Nguyễn Xí ra đánh Đông Quan.[13]

Lý Triện tiến đến gần Đông Quan đánh bại Trần Trí. Nghe tin viện binh nhà Minh ở Vân Nam sắp sang, Triện chia quân cho Phạm Văn Xảo, Trịnh Khả ra chặn quân Vân Nam, còn Triện và Đỗ Bí hợp với quân Đinh Lễ, Nguyễn Xí đánh Đông Quan (Thăng Long, Hà Nội).[13]

Phạm Văn Xảo phá tan viện binh Vân Nam. Vua Minh lại sai Vương Thông mang quân sang tiếp viện. Vương Thông từ Khâu Ôn tới, qua cầu Tây Dương[14], đóng quân ở bến Cổ Sở[15], làm cầu phao cho quân qua sông. Phương Chính tiến từ cầu Yên Quyết[16], đóng quân ở cầu Sa Đôi[17]. Sơn Thọ và Mã Kỳ tiến từ cầu Nhân Mục, đóng quân ở cầu Thanh Oai[18]. Quân Minh dàn doanh trại liền nhau đến vài mươi dặm, cờ xí rợp đồng, giáo mác rực trời, tự cho là đánh một trận là bắt hết được nghĩa quân.[13][19]

Ngày mồng 6, tháng 10, năm 1426 cánh quân do Lý Triện, Đỗ Bí chỉ huy đánh bại cánh quân do Sơn Thọ, Mã Kỳ chỉ huy ở đồng Cổ Lãm[20]. Ngày 7, Lý Triện giao tranh với Vương Thông ở các trại ngoài Cổ Sở, thất lợi, phá hủy doanh trại cũ, tháo lui và cấp báo với cánh quân do Đinh Lễ, Lê Chiến, Lê Xí chỉ huy.[19]

Đinh Lễ cùng Nguyễn Xí được tin báo, đang đêm gấp rút đem 3000 quân tinh nhuệ, 2 thớt voi đến hội quân ở Cao Bộ[21], chia quân giữ chỗ hiểm yếu. Nhân bắt được thám tử của Vương Thông, hai tướng biết Thông định chia dường, hẹn nhau khi pháo nổ thì quân mặt trước mặt sau cùng đánh úp Lý Triện. Ông và Lý Triện, Nguyễn Xí bèn tương kế tựu kế dụ quân Minh vào ổ mai phục Tốt Động, rồi đốt pháo giả làm hiệu cho quân Minh tiến vào[22]. 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:[23]

"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 lớn của nghĩa quân Lam Sơn do Đinh Lễ và các tướng khác chỉ huy. Bên phía quân 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.[23]

Sử quan đời Lê trung hưng là Lê Quý Đôn đánh giá rất cao đóng góp của Đinh Lễ đối với chiến thắng chung cuộc của khởi nghĩa Lam Sơn. Theo Đại Việt thông sử của Lê Quý Đôn, trước trận Tốt Động, Chúc Động, nghĩa quân luôn đánh thắng nhưng vẫn dựa vào 2 châu Hoan, Ái (Thanh Hóa, Nghệ An), chưa dám ra Đông Đô đánh quân Minh. Cánh quân do Lý Triện, Trịnh Khả chỉ huy đơn độc cứ đi lại ở vùng Thiên quan, Quảng Oai, Tam Giang, rồi áp sát vào đô thành. Người trong nước còn sợ oai quân Minh, chưa đầu hàng hết. Sau chiến thắng này, quân Lam Sơn mới bao vây Đông Đô, dân các phủ huyện hưởng ứng rầm rộ. Người trí dũng theo về như đi chợ, thành trì cả nước bị phá hoặc xin hàng, trong khoảng 1 năm cả nước đều bình định. Đó là công của Đinh Lễ, Lý Triện.[24]