光和七年（此年在年尾时，因平定了黄巾起义而被灵帝改元为中平元年）一月，张角的弟子、济南人唐周（又称唐客）叛变。唐周的告密让东汉朝廷大吃一惊，汉灵帝将唐周的告密信交付三公（太尉、司徒、司空）、司隶校尉，当即下令逮捕马元义，
将其在洛阳处以车裂酷刑。接着，汉灵帝下诏命令钩盾令（负责宫廷园林事务）周斌率领三府掾属，调查皇宫宦官、禁卫军将士、政府官员以及平民百姓，发现信奉太平道的一律格杀勿论!经过调查，共逮捕一千多人，全部斩杀。另外下诏命令冀州政府派兵捉拿张角等人。
唐周的告发让张角精心准备了数十年的计划在行将成功的前一刻被打乱了，当他得知朝廷已经觉察后，不得不仓促下令立即发动起义，他派人不分昼夜火速赶赴全国各地通知立即起义，各地相继起义。起义军民头裹黄巾，被人称为黄巾军，又被朝廷称为“蛾贼”。二月，张角自称天公将军（《后汉书·灵帝纪》称，张角自称“黄天”），张角的二弟张宝称地公将军，张角的三弟张梁称人公将军，杀人祭祀上天，正式举兵起义。黄巾军所到之处，焚烧官府门，劫掠村镇城池，东汉地方官员纷纷逃亡，十天半月之间，平静的东汉帝国突然就狼烟四起，一片大乱，东汉朝廷上下惊得是目瞪口呆。安平国（今河北省冀州市）、甘陵国（今山东省清平县）百姓纷纷抓住诸侯王刘续（汉章帝曾孙、灵帝堂叔）、刘忠（刘续孙子辈，灵帝堂侄），响应黄巾军。
三月三日，汉灵帝任命河南尹何进为大将军，封慎侯，率领左右羽林军、北军（中央常备军）五个军团的将士们把守交通要道，修缮兵器，守卫京师。这五个军团分别由屯骑校尉、越骑校尉、射声校尉、步兵校尉、长水校尉统领。五校尉与羽林中郎将、虎贲中郎将、左右中郎将还有光禄大夫、侍中等均为“比二千石”，五校尉统领的军队具体人数约三千五百人，但战时又有增加。
除此之外，汉灵帝还下令在函谷（今河南省新安县境内）、太谷（今河南省洛阳市东南嵩山、龙门山之间的缺口）、广成（在今河南省汝州市西）、伊阙（今河南省洛阳市龙门山与香山之间的缺口）、辍辕（今河南省偃师市与登封市交界处，位于太室山与少室山之间）、旋门（今河南省荥阳市境内，为洛阳东面第一关）、孟津（又称河阳关、富平津，今河南省孟津县境内）、小平津（今河南省孟津县境内）八处险要地段，设置了八关都尉。
汉灵帝还采用中常侍吕强的意见，大赦全国的党人，唯独张角不在赦免之列。然后，又调发全国精兵，大规模选拔文武双全的领兵将帅，以卢植为北中郎将担任主帅、护乌桓中郎将宗员为副将，率领北军五校尉之军前往讨伐张角；又以皇甫嵩为左中郎将、朱儁为右中郎将率领五校尉之军、三河（河东郡、河内郡、河南尹）骑兵部队以及临时招募的壮丁共计四万人前去讨伐颖川的黄巾军。
唐周的叛变，彻底打乱了张角的原计划，也改变了这次起义的形式、作战方向。由于史料缺乏，无法全面了解张角原计划的全貌，但从一些遗留下来的零碎史料中，还是能够大致看出一点蛛丝马迹来∶一是以冀州、幽州为根据地，与东汉政权争夺天下；二是暂时不顾偏远的荆州、扬州之地，集中兵力巩固黄河以北根据地，同时兼顾黄河以南，由东向西逼近洛阳；三是控制洛阳周边几个战略要地———豫州的汝南郡、颍川郡、荆州的南阳郡等；四是里应外合，突袭京师。
由于京师周边地区控制相对严密，太平道在司隶校尉直辖区内影响力非常有限，只能依靠突袭的办法，刺杀汉灵帝，引起东汉最高层的混乱和短暂的休克，为外围作战争取宝贵时间。然而，唐周的告密让整个计划化为泡影，黄巾起义从一开始就变成了各方各自为战的状态，虽然起事之初声势浩大，东汉各处起火，但由于缺乏统一的指挥，只停留在攻取当地郡县阶段，难以形成合力，这为东汉政府各个击破提供了良机。
起义之初，黄巾军在各地均取得了胜利。
一是南阳方向。三月，黄巾军南阳方面统帅张曼成，自称“神上使”，率领数万黄巾军，进攻南阳郡治宛城（今河南省南阳市），杀掉南阳郡守褚贡，占领宛城一百多天。
二是颍川方向。左中郎将皇甫嵩、右中郎将朱儁率领四万军队，一起讨伐颍川黄巾军。皇甫嵩与朱儁各领一军，朱儁所部先行，与黄巾军头领波才交战，一举将其击败，皇甫嵩遂率领官军推进到长社（今河南省长葛市），转攻为守。
三是汝南方向。汝南黄巾军在邵陵（今河南省漯河市郾城区）击败东汉汝南太守赵谦。
四是幽州方向。广阳（今北京市大兴区南）黄巾军杀死了东汉幽州刺史郭勋、广阳太守刘卫。
五是冀州方向。张角三兄弟率领的黄巾军已攻下了广宗（今河北省威县东二十里）。
在黄巾大起义的影响下，在此前后，东汉各地纷纷叛乱，又出现了不少非黄巾势力，他们分别是∶
一是巴蜀五斗米道（天师道）起义。二是关中地区叛乱。北地郡（治所富平，今宁夏回族自治区青铜峡南）先零羌以及袍罕（今甘肃省临夏市）、河关（今甘肃省临夏市西）的边民造反，共同推举湟中义从胡（归顺朝廷的月氏人）北宫伯玉、李文侯为将军，杀死了东汉护羌校尉冷徵。三是黑山贼。黄巾起义后，河北各地一片大乱，博陵（今山东省茌平县博平镇）张牛角、常山（今河北省元氏县西北）褚燕，还有所谓的黑山、白波、黄龙、左校、五鹿、叛根、苦蟠、刘石、平汉、大洪、司隶、缘城、罗市、雷公、浮云、白爵、杨凤、于毒、郭大贤、左髭丈八等无数支起义军。
在黄巾军与朝廷军对峙的长社前线。黄巾军的优势在于人数众多，但劣势也十分明显，那就是∶没有战斗经验；从全局上来说，各自为战，缺乏协同。
官军与之正好相反，黄巾军的优势正是官军的劣势∶兵力较少，初战告负。但优势也非常明显∶灵帝选拔了大量文武兼备的优秀将领；部队有着较为丰富的战斗经验；各部队之间在统一领导下能够协同作战；武器精良。
波才大军将皇甫嵩的军队团团包围于长社城内。皇甫嵩兵力较少，加之朱儁初战失利，军中将士非常恐惧。皇甫嵩将下属召来，对大家说∶“取胜的关键在于运用谋略，出奇兵，善变化，不在乎人数的多少。如今，敌人在城外草丛中扎营，遇到大风天气，容易受到火攻。如果我们趁夜派人出城纵火，敌人必定会惊慌失措，出现混乱，然后，我们再出城攻击，从四面八方包围他们，那么，就可以立下田单以火牛阵建立的战功。”正巧，当天傍晚天上刮起了大风，皇甫嵩命令士兵们手持火把，登上城墙，又派壮士们偷偷出城，穿过黄巾军的包围圈，在黄巾军军营的外围纵火呐喊，一时之间，城内守军同时点燃火把，遥相呼应，给黄巾军造成已陷入内外夹击的假象。惊慌之余，黄巾军像无头的苍蝇一样乱作一团，四散溃逃。
恰在这时，从洛阳前来增援的骑都尉曹操率领的部队也赶到了长社，五月，皇甫嵩与曹操、朱儁的军队合兵一处，再次大破黄巾军，斩首数万级，汉灵帝晋封皇甫嵩为都乡侯（在列侯之下、关内侯之上）。
皇甫嵩等人击败颍川黄巾军之后，又乘胜进攻汝南（今河南省平舆县）、陈国（今河南省淮阳县）的黄巾军，在阳翟（今河南省禹州市，颍川郡治所）追上了波才残部，在西华（今河南省西华县）又击败了另一支黄巾军彭脱部，颍川、汝南、陈国三郡的黄巾军全部被平定，汝南、陈国的黄巾军残部向南阳方向败退。
官军平定颍川等三郡之后，皇甫嵩上书把功劳都让给了朱儁，灵帝晋封朱儁为西乡侯，升为镇贼中郎将，并下诏将这一路官军一分为二∶左中郎将皇甫嵩率军北上，讨伐兖州的东郡（今河南省濮阳市）黄巾军；镇贼中郎将朱儁率军南下，讨伐荆州的南阳黄巾军。
张曼成起义之后在南阳驻扎了一百多天。光和七年（公元184年）六月，东汉新任太守秦颉进攻张曼成，将其斩杀。但不久，张曼成的余党又拥立赵弘为统帅，拥有十余万之众，继续盘踞在宛城。
与此同时，北中郎将卢植率领的官军也屡屡击破张角军，斩杀俘虏上万人，张角等人退守广宗。卢植率军将广宗团团包围起来，下令修筑长墙，开挖壕沟，建造云梯，准备择期对广宗发动总攻。恰在这时，灵帝派小黄门左丰来到军中视察，有人劝说卢植给左丰送上贿赂，但卢植没有同意。左丰在军中一无所获，心中愤愤不平，回到洛阳后，就向灵帝报告说∶"广宗的黄巾军非常容易被消灭。卢植修筑堡垒，让军队休息，静等上天的惩罚，任其自生自灭。"左丰的话无疑是说卢植在玩寇，这也是灵帝最担心的事。听了左丰的汇报，灵帝不禁大怒，以囚车将卢植押回京师，判处死刑，减一等执行，另外派遣东中郎将董卓接替卢植。
八月，转兵北进的皇甫嵩与东郡黄巾军在苍亭（今河南省范县）激战，官军再次取胜，生擒黄巾军将领卜巳。但此时，在下曲阳（今河北省晋州市）与张角作战的董卓被黄巾军击败，受到朝廷的惩处。八月三日，灵帝下诏命令皇甫嵩继续北上，讨伐张角。
十月，皇甫嵩与张角的弟弟张梁在广宗（今河北省威县）血战。张梁的军队非常骁勇，官军无法取胜。第二天，皇甫嵩紧闭营门，养精蓄锐，观察黄巾军的动向，经过一整天的观察，到了夜晚，皇甫嵩判断黄巾军已经懈怠，遂于当晚偷偷部署军队，等到黎明时分，他率领军队向黄巾军发起了总攻。这场你死我活的搏杀，一直从清晨持续到下午，打了一整天，直杀得天昏地暗，日月无光，大破黄巾军，阵斩张梁，斩首三万级，有五万多黄巾军将士们走投无路，投河淹死。张角已在不久前病死，官军开棺斩尸，将头颅传至京师。
十一月，皇甫嵩乘胜进攻驻守下曲阳的张宝部，再次取得了辉煌的胜利，斩杀张宝，俘斩十余万人。河北黄巾军主力被消灭。朝廷晋升皇甫嵩为左车骑将军，领冀州牧（二千石），封槐里侯。
再看南线的战事。
朱儁与荆州刺史徐璆等人将宛城团团包围，但从六月一直到八月一直无法攻克。有关部门上书要求将朱儁召回问罪，司空张温劝阻说∶“过去秦国以白起为大将，燕国以乐毅为大将，都是经过旷日持久的战争，才最终克敌制胜。朱儁讨伐颍川黄巾，已经取得战功，率军南下，谋略已定。临阵换将，兵家所忌，应当再宽缓些时日。”灵帝这才作罢。朱儁进击赵弘，将其斩杀，但黄巾军将领韩忠重新占领了宛城。
朱儁擂鼓进攻宛城西南角，城内黄巾军全部到西南角抵挡，见此情形，朱儁率领五千精兵突然向东北角发起了猛攻，并顺利登上了城墙。韩忠只好退入内城，请求投降。司马张超、荆州刺史徐璆、南阳太守秦颉等将都打算接受，朱儁却说∶“军事行动有时候看起来相同，其实质却不同。过去，在楚汉争霸时，百姓们并不属于一个固定的君主，因此，需要奖励那些叛乱后又归附的人。如今四海一家，唯独黄巾军犯上作乱，接受他们的投降，就无以给那些安分守己的百姓们树立榜样，严厉地惩罚他们才能起到惩治罪恶的目的。如今接受了他们的投降，就等于又让他们多了一项选择的余地，他们有利的时候就会与官军作战，失利时又去请降，这种纵容敌人、帮助敌人壮大的做法不是良策啊!”于是，朱儁率领官军对宛城内城发起了猛烈进攻，但经过连续作战一直未能得手。
朱儁登上土山察看，对司马张超说道∶“我知道原因了。如今，敌人被团团围住，内城又非常狭隘，求降又不被接受，想突围又突围不成，因此，只好拼死抵抗。万众一心，尚不可抵挡，何况城内有十万之众呢!危害更是不可估量。我们不如暂时撤去包围，全部登上外城城墙，韩忠见我们撤去包围圈，必定会率众冲出内城，一旦敌人出了内城，人心就散了，就容易被击破。”遂撤去包围。韩忠果然出战，朱儁率领官军进击，大破黄巾军，斩杀一万多人，韩忠等人遂投降了官军。
原本南阳黄巾军就此被平定了，但是，节外生枝，南阳太守秦颉把韩忠恨得牙根痒痒，竟然诛杀了韩忠。韩忠一死，唇亡齿寒，黄巾降众人人自危，又推举孙夏为主，再次逃入宛城。朱儁率军猛攻，司马孙坚率众第一个爬上城墙，十一月二十二日，官军再度攻克宛城。孙夏率领残兵败将突围逃走，朱儁跟踪追击，在西鄂县（今河南省南阳市北）精山再次击败黄巾军，斩首一万多级。
于是，全国范围的黄巾军全部被打散，其余各郡每个郡诛杀的黄巾军也都达数千人。经过九个月的战斗，朝廷最终平定了这次的黄巾之乱，但各地散乱的黄巾军依然存在，这些散落的黄巾军随后又将准备第二次黄巾起义。
