เมื่อพระมหาบุรุษทรงบรรพชาแล้ว ได้พักแรมอยู่ที่อนุปิยอัมพวัน แขวงมัลลชนบท เป็นเวลาประมาณ ๗ วัน จากนั้นจึงเสด็จจาริกไปในต่างแดน เพื่อแสวงหาหนทางดับทุกข์ โดยได้เสด็จผ่านกรุงราชคฤห์ ซึ่งพระเจ้าพิมพิสาร กษัตริย์ผู้ครองนครราชคฤห์ ได้เสด็จมาพบเข้า แล้วตรัสถามถึงความเป็นมาของชาติสกุล และตรัสชวนให้อยู่ด้วยกัน อีกทั้งจะพระราชทานอิสริยยศให้ แต่พระมหาบุรุษไม่ทรงรับ หากแต่แสดงพระประสงค์ว่า มุ่งจะแสวงหาพระสัมมาสัมโพธิญาณ ดังนั้น พระเจ้าพิมพิสารทรงอนุโมทนาแล้วตรัสขอปฏิญญาว่า เมื่อตรัสรู้แล้วขอให้เสด็จมาเทศนาโปรด ซึ่งพระมหาบุรุษก็ทรงรับปฏิญาณนั้น

จากนั้นพระมหาบุรุษก็เสด็จไปยังแคว้นมคธ เข้าไปขอเป็นศิษย์ในสำนักของอาฬารดาบส กาลามโคตร จนจบสิ้นความรู้ของอาจารย์ ซี่งอาจารย์ก็ได้ให้การสรรเสริญ และชักชวนให้พระมหาบุรุษอยู่ช่วยกันสั่งสอนศิษย์อื่น ๆ ต่อไป แต่พระมหาบุรุษทรงเห็นว่าไม่ใช่ ทางที่จะทำให้พระองค์หลุดพ้นจากความทุกข์ จึงลาอาจารย์ไปศึกษาต่อในสำนักของอุทกดาบส ซึ่งตั้งอยู่ ณ แขวงเมืองพาราณสี จนสำเร็จวิชาชั้นสมาบัติแปด คือ รูปฌาณสี่ และอรูปฌาณสี่ ซึ่งเป็นวิชาชั้นสูงสุดของอุทธกดาบส แต่วิชาของสำนักนี้ก็ไม่สามารถทำให้พระองค์ตรัสรู้อีกเช่นกัน พระมหาบุรุษจึงทรงอำลาอาจารย์แล้วออกจากที่นั่น

พระมหาบุรุษทรงจาริกไปจนถึงตำบลอุรุเทลาเสนานิคม ในมคธชนบท ได้ทอดพระเนตรเห็นพื้นที่ร่มรื่น แนวป่าเขียวสด มีแม่น้ำเนรัญชราที่ใสสะอาดไหลผ่าน มีเป็นที่เบิกบานพระทัย และมีหมู่บ้านตั้งอยู่โดยรอบ ไม่ใกล้ไม่ไกลเกินไป เหมาะเป็นที่อาศัยบิณฑบาตของนักบวช ดังนั้น พระมหาบุรุษทรงดำริว่าสถานที่นี้เหมาะที่จะเป็นสถานที่สำหรับบำเพ็ญเพียร

พระมหาบุรุษทรงศึกษาค้นคว้าหาทางตรัสรู้พระอนุตร-สัมมาสัมโพธิญาณด้วยวิธีการต่าง ๆ ซึ่งวิธีหนึ่งที่ทรงปฏิบัติคือ “การบำเพ็ญทุกกรกิริยา” (คือ การทรมานตนให้ลำบากด้วยประการต่าง ๆ) โดยในระหว่างที่พระมหาบุรุษทรงบำเพ็ญเพียรให้ตรัสรู้ธรรมอันวิเศษด้วยการบำเพ็ญทุกกรกิริยา ได้มีพราหมณ์ ๕ คน คือ โกณฑัญญะ วัปปะ ภัททิยะ มหานามะ และอัสสชิ รวมเรียกว่า ‘ปัญจวัคคีย์' มาคอยปรนนิบัติ หรือเป็นผู้อุปัฏฐาก

ทั้งนี้เพราะพราหมณ์เหล่านั้นได้ยิน และได้เห็นว่าพระมหาบุรุษมีลักษณะต้องตามมหาบุรุษลักษณพยากรณศาสตร์ จึงมีความเคารพนับถือและเชื่อในพระองค์เป็นอันมาก ดังนั้น เมื่อพระองค์เสด็จออกทรงผนวชแล้ว พราหมณ์เหล่านั้นดำริเห็นว่า การผนวชของพระมหาบุรุษ คงจะมีผลแก่ผู้อื่นด้วย จึงพากันออกบวชตามพระมหาบุรุษ และคอยเฝ้าอยู่ปฏิบัติทุกเช้าค่ำ โดยหวังว่า ถ้าพระองค์ได้บรรลุธรรมใด จะทรงสั่งสอนให้ตนบรรลุธรรมนั้นบ้าง

พระมหาบุรุษทรงบำเพ็ญทุกรกิริยาเป็นเวลาถึง ๖ ปี ซึ่งสิ่งที่พระมหาบุรุษทรงบำเพ็ญได้แก่

วาระแรก การควบคุมอวัยวะของร่างกายไม่ให้เป็นไปตามธรรมชาติ คือ กดพระทนต์ด้วยพระทนต์ (ฟัน) กดพระตาลุ (เพดานปาก) ด้วยพระชิวหา (ลิ้น) ไว้ให้แน่น จนพระเสโท (เหงื่อ)ไหลออกจากพระกัจฉะ (รักแร้) แต่เมื่อทรงเห็นว่าการทำอย่างนั้นไม่ใช่ทางตรัสรู้ จึงทรงเปลี่ยนไปบำเพ็ญอย่างอื่น

วาระที่สอง การกลั้นลมหายใจ คือ ทรงผ่อนกลั้นลมอัสสาสะ (ลมหายใจเข้า) ปัสสาสะ (ลมหายใจออก) เมื่อหายใจทางช่องพระนาสิก (จมูก) และช่องพระโอษฐ์ (ปาก) ไม่สะดวก ก็เกิดเสียงดังอู้ในพระกรรณ (หู) ทั้งสองข้าง ทำให้ปวดพระเศียร เสียดพระอุทร (ท้อง) และร้อนในพระกาย แต่เมื่อทรงเห็นว่าการทำอย่างนั้นไม่ใช่ทางตรัสรู้ จึงทรงเปลี่ยนไปบำเพ็ญอย่างอื่น

วาระที่สาม ทรงอดพระอาหาร หรือเสวยแต่เพียงน้อย จนพระกายเหี่ยวแห้ง พระฉวีเศร้าหมอง พระอัฐิ (กระดูก) ปรากฏทั่วพระกาย เมื่อทรงลูบพระกายแล้วเส้นพระโลมา (ขน) ก็หลุดร่วงออกมา พระกำลังน้อยถอยลง ไม่ว่าจะเสด็จไปข้างไหนก็ซวนเซจะล้ม

ภายหลังพระมหาบุรุษทรงพบว่า การทำทุกกรกิริยาไม่ใช่หนทางไปสู่การตรัสรู้ได้ และในเวลานั้น ท้าวสักกะเทวราช ที่คอยให้ความช่วยเหลืออนุเคราะห์แก่ชนผู้ประพฤติอยู่ในธรรม ได้เห็นว่าความตั้งใจอันเด็ดเดี่ยวของพระมหาบุรุษ จะไร้ผลเสียเปล่า จึงได้ถือพิณสามสาย เสด็จลงมาดีดถวาย สายพิณเส้นที่หนึ่งหย่อนยานเกินไป ทำให้ดีดไม่ดัง สายพิณที่สองขึงลวดตึงเกินไป ดีดเข้าก็ขาด สายพิณที่สามขึงลวดพอดีดีด ไม่หย่อน ไม่ตึงนัก ดีดดัง เสียงประสานกลมกลืนไพเราะ ดังนั้น พระมหาบุรุษจึงได้สติ แล้วยึดเอาพิณสายกลางที่พอดี มาเป็นแนวทางปฏิบัติ คือตั้งความเพียรทางใจ ให้เป็นไปพอดี ไม่หย่อน ไม่ตึง เรียกว่า “มัชฌิมาปฏิปทา”จึงได้ทรงเลิกการบำเพ็ญทุกรกิริยา ไม่ทรงอดอาหาร แล้วกลับมาเสวยพระอาหารตามปกติ

ส่วนพราหมณ์ทั้ง ๕ เห็นว่าพระมหาบุรุษทรงหยุดบำเพ็ญทุกกรกิริยาที่ประพฤติมาแล้ว จึงเห็นร่วมกันว่า พระองค์คลายความเพียร กลายเป็นผู้มักมากเสียแล้ว จึงเบื่อหน่ายในการที่จะปรนนิบัติพระมหาบุรุษต่อไป เพราะเห็นว่าพระองค์คงไม่อาจบรรลุธรรมพิเศษอย่างใดอย่างหนึ่งได้ จึงพากันออกไปจากที่นั้น และไปอยู่ ณ ป่าอิสิปตนมฤคทายวัน แขวงเมืองพาราณสี

เมื่อพระมหาบุรุษทรงเลิกบำเพ็ญทุกกรกิริยา แล้วกลับมาเสวยอาหารตามเดิมแล้ว ปรากฏว่าในตอนเช้าของวันหนึ่ง นางสุชาดา ผู้เป็นลูกสาวของ นายบ้านเสนานคม ตำบลอุรุเวลา ปรารถนาจะบวงสรวงเทวดา จึงได้หุงข้าปายาส (คือข้าวสุกที่หุงด้วยน้ำนมโค) เมื่อเสร็จแล้วจึงจัดลงในถาดทองนำไปที่ต้นโพธิ์ และเห็นพระมหาบุรุษประทับนั่งอยู่ จึงเข้าใจว่าพระมหาบุรุษเป็นเทวดา จึงนำข้าวปายาสเข้าไปถวาย ในเวลานั้นบาตรของพระมหาบุรุษได้อันตรธานหายไป พระมหาบุรุษจึงทรงรับข้าวปายาสนั้นพร้อมทั้งถาดด้วยพระหัตถ์ขวา แล้วทอดพระเนตรแลดูนาง นางจึงทูลถวายทั้งถาดแล้วลากลับไป

จากนั้น พระมหาบุรุษทรงถือถาดข้าวปายาสเสด็จไปสู่ยังริมฝั่งแม่น้ำเนรัญชรา แล้วเสด็จลงสรงน้ำ เมื่อสรงน้ำเสร็จแล้วเสด็จ ขึ้นมาประทับนั่งริมฝั่ง ทรงปั้นข้าวมธุปายาสเป็นปั้น ๆ รวมได้ ๔๙ ปั้น แล้วเสวยจนหมด

เมื่อมหาบุรุษทรงเสวยเสร็จแล้ว ทรงลอยถาดและทรงอธิษฐานว่า ถ้าจะได้สำเร็จเป็นพระพุทธเจ้า ขอให้ถาดจงลอยทวนกระแสน้ำ เมื่อทรงปล่อยพระหัตถ์ ปรากฏว่าถาดนั้นลอยทวนกระแสน้ำไปไกลถึง ๘๐ ศอก ไปจนถึงวังน้ำวนแห่งหนึ่ง ถาดนั้นจึงจมดิ่งลงไปถึงพิภพของ “กาฬนาคราช” กระทบกับถาดสามใบของพระพุทธเจ้าในอดีตสามพระองค์ (พระพุทธเจ้าในอดีตสามพระองค์นั้นคือ พระกกุสันธะ พระโกนาคมน์ และพระกัสสปะ ซึ่งพระมหาบุรุษกำลังจะเป็นพระพุทธเจ้าองค์ที่ ๔) หลังเสด็จกลับจากทรงลอยถาดอธิษฐานแล้ว พระมหาบุรุษก็ประทับอยู่ที่ดงไม้สาละ ริมฝั่งแม่น้ำเนรัญชราตลอดวัน

เวลาบ่ายเกือบเย็น พระมหาบุรุษจึงเสด็จไปยังต้นพระศรีมหาโพธิ ตำบลอุรุเวลาเสนานิคม ริมฝั่งแม่น้ำเนรัญชรา (ปัจจุบันคือ ตำบลพุทธคยา ประเทศอินเดีย) ระหว่างทางพระมหาบุรุษได้พบกับชายผู้หนึ่งซึ่งอยู่ในวรรณะพราหมณ์ชื่อ “โสตถิยะ” ซึ่งพราหมณ์โสตถิยะเดินถือกำหญ้าคา๏มา ๘ กำ และได้ถวายหญ้าคาทั้ง ๘ กำ ให้แก่พระมหาบุรุษ พระมหาบุรุษทรงรับ แล้วทรงนำไปปูเป็นอาสนะสำหรับประทับนั่งที่โคนต้นพระศรีมหาโพธิ์ พระมหาบุรุษทรงประทับขัดสมาธิ พระบาทขวาวางทับพระบาทซ้าย และพระหัตถ์ขวาทับ พระหัตถ์ซ้าย ผินพระพักตร์ไปทางทิศตะวันออก ผินพระปฤษฎางค์ (หลัง) ไปทางต้นพระศรีมหาโพธิ์ แล้วทรงตั้งพระทัยเป็นสัจจะแน่วแน่ว่า "ถ้าเรายังไม่ได้บรรลุพระสัมมาสัมโพธฺญาณตราบใด เราจักไม่ยอมลุกขึ้นตราบนั้น แม้ว่าเนื้อและเลือดจะเหือดแห้งไปเหลือแต่หนัง เอ็น และกระดูกก็ตามที"

ในวันเพ็ญเดือน ๖ ก่อนที่พระมหาบุรุษจะตรัสรู้ไม่เพียงกี่ชั่วโมง และในเวลาที่พระอาทิตย์กำลังอัสดงลงลับทิวไม้ พระยาวัสสวดีมารหรือพระยามารซึ่งคอยติดตามพระมหาบุรุษอยู่ตลอดเวลา (พระยามารตนนี้เคยผจญพระมหาบุรุษมาครั้งหนึ่งแล้ว ตอนที่พระมหาบุรุษเสด็จออกจากเมือง แล้วพระยามารก็เข้ามาห้ามแต่ไม่สำเร็จ) เนื่องจากพระยามารเกรงว่าถ้าพระมหาบุรุษได้ตรัสรู้เป็นพระพุทธเจ้าก็จะพ้นจากอำนาจของตน พระยามารจึงยกทัพมารมาผจญ เพื่อให้พระมหาบุรุษตกพระหฤทัยกลัว แล้วเสด็จหนีไป แต่พระมหาบุรุษทรงนึกถึงพระบารมี ๑๐ ทัศ ที่ได้ทรงบำเพ็ญมาในอดีตชาติ และทรงอธิษฐานให้ผืนแผ่นดินเป็นสักขีพยาน เสี่ยงพระบารมีธรรมให้เป็นที่ประจักษ์ และด้วยอำนาจแห่งพระบารมีธรรมนั้น “พระนางธรณี” เทพยดาผู้รักษาแผ่นดิน จึงแปลงเป็นหญิงมาปรากฎกายอยู่ภายใต้อาสนะบัลลังก์ แล้วบีบพระเกศาเป็นน้ำหลั่งไหลออกมาท่วมพระยามารและบริวาร ในที่สุดพระยามารก็ต้องพ่ายแพ้ไป

เมื่อพระมหาบุรุษเอาชนะมารแล้ว เป็นเวลาที่พระอาทิตย์กำลังจะตกดิน ความมืดเริ่มย่างเข้ามา แต่พระมหาบุรุษยังคนประทับนั่งที่โพธิบัลลังก์ ใต้ต้นพระศรีมหาโพธิ์ โดยไม่หวั่นไหว ทรงเริ่มบำเพ็ญเพียรสมาธิให้เกิดในพระทัยโดยวิธีที่เรียกว่า “เข้าฌาน”

พระมหาบุรุษทรงบรรลุญาณที่หนึ่งในตอนปฐมยาม (ประมาณ ๓ ทุ่ม) ญาณที่หนึ่งนี้เรียกว่า บุพเพนิวาสานุสติญาณ หมายถึง ความรู้แจ้งในอดีตชาติหนหลังทั้งของตนเองและของคนอื่น

พอถึงมัชฌิมยาม (ประมาณเที่ยงคืน) ทรงบรรลุญาณที่สอง ที่เรียกว่า จุตูปปาตญาณ หมายถึง ความรู้แจ้งถึงความจุติ คือดับและเกิดของสัตว์โลกตลอดถึงความแตกต่างกันที่ เรียกว่า กรรม (อีกนัยหนึ่งเรียกว่า ทิพพจักขุญาณ)

พอถึงปัจฉิมยาม (หลังเที่ยงคืนล่วงแล้ว) ทรงบรรลุญาณที่สามคือ อาสวักขยญาณ หมายถึง ความรู้แจ้งถึงความสิ้นไปของกิเลส และอริยสัจ ๔ (ความทุกข์ เหตุเกิดของความทุกข์ ความดับทุกข์ และวิธีดับทุกข์)

การได้บรรลุญาณทั้งสามของพระมหาบุรุษนั้นเรียกว่า “ตรัสรู้พระสัมมาสัมโพธิญาณ” (หรือตรัสรู้ความเป็นพระพุทธเจ้า) ทรงรู้ธรรมพิเศษสมดังพระประสงค์ หลังจากที่ทรงบรรพชามา ๖ ปี ซึ่งตรงกับคืนวันวิสาขปุรณมี หรือวันเพ็ญขึ้น ๑๕ ค่ำ เดือน ๖ ที่ใต้ต้นพระศรีมหาโพธิ์ ก่อนพุทธศักราช ๔๕ ปี และขณะที่พระองค์ทรงตรัสรู้นั้นทรงมีพระชนมายุได้ ๓๕ ปีพอดี

ดังนั้น พระนามว่า เจ้าชายสิทธัตถะ หรือพระโพธิสัตว์ หรือพระมหาบุรุษ ได้กลายเป็นพระนามในอดีต เพราะนับแต่ทรงบรรลุพระอนุตรสัมมาสัมโพธิญาณเป็นต้นไปทรงมีพระนามใหม่ว่า “อรหันตสัมมาสัมพุทธเจ้า” แปลว่า “พระผู้ตรัสรู้ธรรมเครื่องหลุดพ้นจากกิเลสโดยชอบโดยพระองค์เอง”