在明朝徵安南的戰爭中，明軍的火器部隊在關鍵性戰役中發揮了很大的作用，是其迅速獲勝的關鍵性因素之一。
而自唐末以來到宋元，在征伐安南的作戰中，從未有在如此短的時間內就獲得全勝的情況，這讓明成祖朱棣極為高興。
正是因為看到了火器部隊在戰爭中的巨大作用，而且從安南處得到了大量火器製造的人才，並可以在安南技術的基礎上改進明軍的現有火器。
這使得明軍專用火器部隊的誕生具備了有使用價值、有物質基礎兩個條件，而隨著北邊不利軍情的傳來，又使得專用火器部隊的需求急劇提升。
因為這些事情是連貫發生的，故而留下了“至明成祖平交趾，得神機槍炮法，特置神機營肄習”，的記載。但請大家注意，明朝不是說非得從安南得到部分火器技術，才會有神機營的，為了應對北邊的威脅，神機營的出現是必然的，而安南火器只是錦上添花而已。
北邊的不利軍情是丘福之敗所導致的。
永樂七年（1409年），給事中郭驥出使蒙古本雅失裡被殺，朱棣大怒，命淇國公丘福為徵虜大將軍，武成侯王聰、同安侯火真副之，靖安侯王忠、安平侯李遠為左、右參將，討本雅失裡。然而北征軍輕敵冒進，招致大敗。
明成祖朱棣聽聞北征軍大敗後，即著手親征。
但是京師附近的精銳大多覆滅於北征軍中，因此需要揀選周邊精銳，以待朱棣的親征作戰。
在火器方面，製造了大量的火銃，從現在發掘出土的大量永樂火銃來看，永樂七年制的是相當多的，而且在性能上比洪武火銃有了提升，可視為是吸收了安南技術之上的改進版本。
永樂八年（1410年），朱棣上位後的第一次北征開始了。
這一次北征對朱棣來說是打得非常痛快的，因為蒙古軍還敢於與明軍交戰，而史籍中也留下了明軍火器部隊的作戰記錄：
上追及虜於回曲津，命安遠伯柳升以神機銃當先，銃發聲震數十里，每矢洞貫二人，復中傍馬，皆立斃。虜怖懾，策馬走，我師奮進，大敗之，斬其名王以下百數十人。
而在這次北征中，還有一次規模不算大，但是很有趣的戰例。
明軍在回撤的過程中，朱棣認為蒙古兵“性貪”，必然想要劫掠明軍的後衛物資，於是部署了一次“釣魚”式作戰。
以步卒十餘，持銃後行，而實草於囊載之以誘虜；然後以騎士數百（伏）於河曲柳林；朱棣自己帶精兵千餘待機。
當蒙古騎兵出現時，步兵則發銃為信號，然後埋伏的騎兵出動。蒙古騎兵見事不妙，就想回撤，結果朱棣所率的精銳騎兵又殺到了，最終“生擒數十人，餘盡死，自是軍行虜無敢窺於後者”。
以這次小的戰例來看，當時的火銃兵還能起到信號兵的作用，這對於在大漠草原作戰的明軍來說，意義是很大的。
第一次北征中，明成祖對於火器兵的表現是非常滿意的。
在永樂十一年（1413年），他還特意叮囑在第一次北征作戰中非常好地發揮了火器兵的柳升：
神機銃炮，兵之利器，攻戰所不闕者，必操習精熟，然後臨機得用，爾提督不可嚴。
柳升此時已經因功升為侯爵，一般認為當時的神機營已經正式確立，而柳升大致就是神機營最早的統帥。在第一次北征中，充當明軍神機將軍的還有譚廣、侯鏞、陳賢等人，可見在征戰中明軍仍然採取了徵安南時的專屬火器兵編制，而在戰後又特意整合加強了此類部隊的編制，遂有戰後令柳升嚴格提督之嚴，而這支部隊便是神機營。
永樂十二年（1414年），明成祖朱棣第二次北征，已升為安遠侯的柳升“領中軍、大營及神機銃手”，神機銃手與中軍、大營並列，鑑於明軍基礎編制中已有火器兵，因此這個“神機銃手”其實特指專門隨中軍移動，由皇帝親自掌握的精銳、專職火器部隊，即神機營。
第二次北征作戰中，這支部隊再度發揮了重要作用，史載：
（譚廣，第一次北征中的神機將軍）領神機營從徵迤北，充驍騎將軍又從徵九龍口，為前鋒。賊數萬騎憑崖列陣，（譚）廣以神箭萬人射之，死者無筭，乘勝揮左右夾擊賊大敗。
而在羅亨信的《譚廣傳》記載更細：（當時）有寇騎從山巔而來，勢且大。公（譚廣）曰“彼雖據高而無步卒，臣以銃兵從巖畔以火銃擊之，上然其計。
《明史•兵志》中載：又因得都督譚廣馬五千匹，置營名五千下，掌操演火器及隨駕護衛馬隊官軍。譚廣所部為神機營的一部分，從其強調馬數來看，這是神機營中的火器騎兵部隊。
永樂二十年（1421年），明成祖第三次北征。安遠侯柳升再領中軍馬步隊及大營、圍子手並神機營。
柳升第一次北征時為中軍副將，率專職火器兵為前鋒；第二次和第三次北征時，其實際執掌中軍及神機營。
但中軍隨朱棣而移動，實際上神機營的使用是朱棣自己掌握的，而柳升之所以後來執掌中軍很大程度上也是因為其擅長髮揮神機營的威力，而得到了朱棣的重用。
而在一系列的北征作戰中，明軍三大營也正式形成，並且有了一整套的戰法。
居常，五軍肄營陣，三千肄巡哨，神機肄火器。大駕徵行，則大營居中，五軍分駐，步內騎外，騎外為神機，神機外為長圍，週二十里，樵採其中。三大營之制如此。
在明朝剛剛創立的時候，明軍中即有至少10%的部隊專司火器作戰，其技術及編制源流並非來自西方，也非來自越南，而是在元代火器部隊基礎上的繼承和發揮。
到明成祖徵安南之後，因對火器部隊進一步重視，而且還在安南火器技術之上更新了明朝部分火器的製造，使得火器的威力更強。隨著北征的需求日甚，因此建立了較大規模、等級很高的成建制火器部隊，是為神機營。
神機營的初建未必與五軍營、三千營處於同等地位，但隨著明成祖北征作戰過程中，其直屬於皇帝統帥的地位，再加上其發揮了更大的作用，因此也得到了更多的重視。
因此在遷都北京後，神機營正式成為了與五軍營、三千營並立的單位，明朝京軍“三大營”最終確立。
那麼正式設立的神機營，其編制和規模是什麼情況呢？
神機營設提督內臣二員、武臣二員、掌號頭官二員，下轄中軍、左掖、右掖、左哨、右哨五軍。
每個軍有內臣一員、武臣一員，下設三個司（有一說為中軍四個司），每司設監槍內臣一員、把司官一員、把牌官二員。
另外還有我們前面提到的譚廣所部隨駕馬隊改編的“五千下營”。
明宣宗宣德三年（1428年），整治神機營部伍，陽武侯曾說：
舊制神機營設左哨、右哨、左掖、右掖、中軍十五司及隨駕馬隊官軍，共七萬五千七十一人。
這個舊制應當指的是永樂時期神機營創立成軍時的情況，可見其規模是相當大的。
但是請注意，神機營並非是全火器化的部隊，而是以火器為主，兼有弓箭、刀牌手、騎兵的混合兵種部隊。
這種編制主要是考慮到了當時火器的射擊頻率較慢，火器兵需要其他兵種的保護，在自己編制內設置其他部隊自然比臨時調配要方便得多。
如神機營神機隊，每隊五十七人，隊長、副各一人，旗軍五十五人，內旗槍三人，牌五人，長刀十人，藥桶四人，神機槍三十三人。遇敵，牌居前，五刀居左，五刀居右，神機槍前十一人放槍，中十一人轉槍，後十一人裝藥，隔一人放一槍，先放六槍，餘五槍備敵進退。
前放者即轉運空槍於中，中轉飽槍於前，轉空槍於後，裝藥更迭而放，次第而轉，擅東濫放者隊長誅之，裝藥轉槍怠慢不如法者，隊副誅之。如此，則槍不絕聲，對無堅陣。
神機營除神機隊外，還有弓箭隊，其每隊五十七人，隊長、隊副各一人，旗槍三人，牌十人，長槍十人，長刀十人，弓箭二十二人。
馬隊每隊五十七人，每隊五十七人，隊長、隊副各一人，旗槍三人，長兵器者十人，雜兵兩人，弓箭四十二人。
在明朝洪熙、宣德時期，不再進行如永樂時期那麼高強度的作戰行動。但因為邊防的需要，神機營駐邊的情況很常見，而在京的神機營主力由於沒有全軍出擊的機會，出現了大量缺額和訓練不精的狀況。
明仁宗繼位於永樂二十二年八月，但在洪熙元年五月便病重去世。其子朱瞻基繼位後，在位時間也僅有十年，此時是1435年。
朱瞻基駕崩後，年僅8歲的朱祁鎮繼位，是為明英宗。英宗繼位的前十幾年，明軍主力在西南進兵，是為麓川之役。
此役明朝京軍雖然不是主力，但消耗了其大量軍事資源，尤其忽視了北部邊防的建設。
在仁宣及英宗前期共計20餘年時間中，明軍北部邊防僅限於守，坐視蒙古瓦剌部的壯大和整合。而20餘年時間，足以讓永樂時代的那一代明軍凋零了。
而在這個大背景下，1449年明英宗親率二十餘萬大軍倉促親征了。在前哨的幾次戰役中，明軍在野戰上的全面劣勢已經顯露無疑。最終由於各方面因素，明軍主力在土木堡被重創。
這一仗對明軍三大營主力造成了毀滅性打擊，戰後明軍打掃土木堡戰場，仍發現大量遺留軍器。
先是由居庸關巡守都指揮同知報告，拾得盔六千餘頂、甲五千八十領、神槍一萬一千多把、神銃六百餘個、火藥一百八十桶；後來宣府方面又報告使得盔三千八百餘頂、甲一百二十領、圓牌二百九十餘面、神銃兩萬兩千餘把、神箭四十四萬支、大炮八百個。
這僅僅是拾得的火器、兵器，可想在戰爭中被繳獲、損毀之數有多高了。
而在土木堡之戰後的北京保衛戰中，神機營的餘部發揮了很大作用，但是明軍也僅僅是保住了北京而已，至於像永樂時期那樣大軍出塞，追著蒙古打的情況則再難出現了。
北京保衛戰勝利後，因三大營損失慘重，因此明朝對京軍進行進行了改革。從三大營中選出了十萬精銳，分為十營團練，稱十團營，此後團營屢罷屢設，後增為十二團營。一直到了嘉靖時期罷團營和明武宗時設的兩官廳，恢復永樂時三大營舊制，不同的是三千營改名神樞營，其之下營制也多有改變。
但自土木堡之後，由於明朝京軍不再主動出擊，僅承擔防守性任務。期間儘管每次改革都能提升一次戰鬥力，不過沒多長時間，京軍便又破敗。
這種現象一直持續到了明滅，而神機營儘管在外調作戰中也多有表現，但作為一支整體性力量也再沒有如永樂時期那樣的輝煌了。
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