广顺元年（951年），郭威称帝，建立后周，赵匡胤补任东西班行首，拜滑州副指挥使。广顺三年（953年），郭威养子柴荣（后周世宗）为开封府尹，赵匡胤转为开封府马直军使。
显德六年（959年），柴荣北伐，赵匡胤担任水陆都部署。到达莫州，先到瓦桥关，守将姚内斌投降；又打退几千名契丹骑兵，关南平定。柴荣在行军路上，审阅各地所上文书，得到一只皮口袋，袋中有一块三尺多长的木板，上面写着“点检作天子”，柴荣感到这件事十分奇怪。当时张永德任殿前都点检，柴荣卧病回京，命赵匡胤任检校太傅、殿前都点检，以接替张永德。同年，柴荣驾崩，年仅七岁的柴宗训（后周恭帝）继位，赵匡胤改任归德军节度使、检校太尉。
显德七年（960年）正月初一，后周朝廷风闻契丹和北汉联兵南下，宰相范质等人不辨真假，匆忙派遣赵匡胤统率诸军北上抵御。
正月初二，赵匡胤统率大军离开都城，夜宿距开封东北二十公里的陈桥驿（今河南封丘东南陈桥镇）。这天晚上，赵匡胤的一些亲信在将士中散布议论，说“今皇帝幼弱，不能亲z，我们为国效力破敌，有谁知晓；不若先拥立赵匡胤为帝，然后再出发北征”。将士的兵变情绪很快就被煽动起来。
次日，赵匡胤的弟弟赵匡义（后改名光义，即宋太宗赵炅）和亲信赵普见时机成熟，便授意将士将一件事先准备好的黄袍披在假装醉酒刚醒的赵匡胤身上，拜于庭下，拥立他为帝。众人呼喊万岁的声音几里外都能听到。赵匡胤装出一副被迫的样子，说：“你们自贪富贵，立我为天子，能从我命则可，不然，我不能为若主矣。”拥立者们一齐表示“惟命是听”。赵匡胤就当众宣布：“回开封后，不得惊犯太后和主上，不得侵凌公卿，对朝市府库不得侵掠，服从命令者有赏，违令者族诛。”诸将士都应声“诺”。赵匡胤于是率兵变的队伍回师开封。