朝中前期，蒙古的瓦剌部興起，其首領也先統一了蒙古各部。瓦剌部統治着西起阿爾泰山，東到遼河，北至貝加爾湖，南抵明邊的廣大地區。這個野心勃勃的蒙古汗王一心想再建一個大元。正統十四年(1449)，也先派2000人，詐稱3000人到明王朝貢馬，宦官王振嫌他以少冒多(因要按人頭賞賜)，減其馬價。也先便以此爲藉口，於七月十一日入寇明境，主力攻入大同。明兵戰守失利，不久，塞外城堡皆失，要塞大同多次告急。消息傳到京城，王振主張英宗親征。于謙和兵部尚書力言不可，但最終他們的意見未被採納。十五日英宗下詔親征，十六日就出發了。這是一次名副其實的倉促應戰。
英宗親征之時，于謙奉命留京以兵部左侍郎理部事。出征人馬在路上，學士曹鼐與都御史等商議，要殺掉宦官王振，停止親征，但沒有成功。十九日至居庸關，兵部尚書請回鑾，王振大怒，將其罰跪，同時下令大軍急進。二十三日至宣府，諸臣又請留，王振更怒，命一批大臣跪於帳外的草中。這樣，弄得人人危懼，無人敢諫。八月一日至大同，王振還想北行，前線敗報傳來，加上宦官郭敬以前線多次戰敗而謊報取勝的實情報告，王振纔有了還意。三日，留下總兵官劉安鎮守大同，其餘的人返回。王振的老家在山西蔚州，他原想從紫荊關經蔚州，讓英宗到他老家，以示炫耀，後他又怕大軍所過，騷擾鄉里，更怕正值夏季，踐踏了那裏的田禾，遂又命大軍轉而東行，這樣，便又多耽誤了幾天時間。也先得知明帝親征的消息，迅速率軍追來。諜報報也先追兵在後，明軍即派後隊阻止，但屢戰屢敗，而王振又封鎖軍情，不讓英宗知曉。
十四日明軍至土木堡。尚未過午，離懷來只有20裏，大軍本可直驅入城，但王振輜重車輛未至，命停軍等待。兵部尚書再請軍急入關，遭王振痛罵。這時也先大兵奔馳攻來，四面合圍。此地無水泉，掘井二丈不見水，其南15裏有河，卻早被也先派兵佔據了。相持一段時間後，雙方經過談判，也先答應明軍可以取水。然而，也先趁明軍移動就水，大營陣腳混亂時，以萬餘騎兵發起衝鋒。明軍隊伍大亂，蒙旗大喊：“解甲投刃者不殺!”明朝軍士毫無鬥志，紛紛解甲投降。然而也先部隊並未停手，仍然狂殺濫砍，明軍死者蔽塞川野，宦官及衛士被箭射得如刺蝟一般。英宗與親軍突圍不成，只得下馬就地被俘。這就是“土木之變”。
此戰，明軍死傷數十萬，文武公、侯、尚書、侍郎、內閣學士等以下共百餘人罹難。罪魁禍首王振也在這次事變中被殺。八月二十七日，噩耗傳至北京。代理監國的郕王朱祁鈺聞知，與衆臣抱頭痛哭。
正在君臣徨無計之時，于謙大喝道：“事已至此，哭又何用?還是暫緩悲痛，獻計獻策，救國救君纔是正理。”衆人止住悲聲，郕王道：“此言有理，如今大敵當前，還望大家集思廣益，羣計獻策。”
這時，翰林院侍講徐有貞啓奏道：“臣夜觀天象，熒惑星侵入北斗，我朝氣數將盡，勢難挽回。依臣之策，只有遷都江南，方能免此亡國之禍。”此言一出，堂上立時人心浮動，君臣交頭接耳，議論紛紛。年已78歲的禮部尚書胡瀅顫巍巍地說道：“成祖(永樂帝朱棣)建陵北京，意即不願子孫南遷。先祖之言，存者敢違否?”
于謙身爲兵部左侍郎，深感自己責任重大。於是厲聲道：“倡議南遷者當斬首!京師乃朝廷之根本，一動則大勢去矣。殊不知宋朝南渡之禍?臣請立刻調動四方軍隊勤王，誓死守衛京師!”于謙的提議得到多數大臣的贊同，他當即被晉升爲兵部尚書。心中無主的郕王和皇太后把守衛京師的重任全部交給了于謙。
土木之變示意圖八月十九日，于謙奏請郕王，命調各地勤王軍隊火速入京，充任守衛。當時，通州官倉存糧數百萬石，恐被敵軍奪去。應天巡撫周忱建議，可令駐京臣僚軍隊各自運進城內。于謙立刻奏請郕王，宣佈京城文武百官，可預支本年九月至明年五月的俸糧，軍士各預支半年餉，各自到通州倉領取。他又徵用順天府大車500輛，起運通州官糧進京，同時，號召百姓有車之家，能運糧20石納京倉者，官府給腳銀一兩，特派都御史陳鎰總管運糧事。此外，于謙還請命賞給新選餘丁官軍和舊操舍人及應募新兵每人銀一兩、布兩匹，守城匠人、守門軍火夫和皇城內外官軍每人布兩匹。于謙如此佈置守城，人心暫時安定下來。
也先俘獲明英宗，大喜過望，認爲“奇貨可居”，想利用這個“大人物”要挾明朝。也先先帶英宗到宣府，傳令開門，但守城官兵堅決不納，也先知道不可動，遂退去。而後，他又挾持英宗到大同，守將郭登仍不納。也先說，給賄賂即放歸英宗。但是在得到黃金兩萬並其他貨物後，也先的話並沒有兌現。他把英宗帶到了塞外。九月初一，也先又藉口送回英宗，索取金銀布帛。爲打破也先的要挾，從國家全局着想，于謙便擁護郕王即帝位，是爲代宗，次年改元景泰，而遙尊英宗爲太上皇。
正統十四年(1449)十月，也先急不可耐，再次以送回英宗爲名，大舉入侵。兵至大同，郭登不納，派人對他說：我們國家已有皇帝了。也先無計可施，又知其有備，不敢攻城。郭登用蠟書急將情況報明廷，京師立即戒嚴。于謙奉命提督諸營，將士皆受其節制，都指揮以下不聽命者，可先斬後奏。
面對來勢洶洶的蒙古精騎，京師守城指揮石亨提出不出戰，盡閉九門。于謙回答道：“不能在敵人面前示弱，退守城內不是辦法，會使也先更加輕視我們，助長敵人的氣焰。我們要在城外迎擊敵人，挫敗敵人的銳氣。”於是，他命兵部侍郎吳寧留守城內，自己身披盔甲，跨上戰馬，在城外指揮，督戰九門。每到一地，于謙便向將士們慷慨陳詞：“京師，乃朝廷根本。身爲大明臣民，理應誓死保衛京師，保衛朝廷!我們一定要打敗俘虜英宗的瓦剌軍，活捉也先，洗刷奇恥大辱，爲聖上報仇雪恨!”一時軍民振奮，羣情激昂。于謙還下令：“士兵如有貪生怕死不出城者，一律處斬;戰場上，將領不指揮軍隊殺敵而向後退卻者，斬首示衆。”
十月十一日，瓦剌軍隊兵壓西直門。于謙一面命軍隊堅守，一面派副總兵高禮、毛福壽率部繞到瓦剌軍後面殺敵。戰鼓一響，人人奮勇衝殺。明軍殺死瓦剌軍數百名，軍威大振。當晚，于謙又派薛斌率領勇士數百人偷襲敵營，打得正在酣睡的瓦剌軍一片混亂，倉皇逃命。一連兩個勝仗，大大鼓舞了明軍的士氣。
也先吃了敗仗，改變策略，假意求和，表示願意送還英宗。代宗信以爲真，派兩位官員出城迎接。得於謙手跡也先狡辯說：此兩人官位太小，不夠談判資格，須派于謙、石亨帶重禮來才行。于謙立即看出是計，對代宗道：“陛下絕不可輕信也先。只有徹底打敗瓦剌，纔是唯的一出路。”
兩天之後，也先集中了1萬多兵力攻打德勝門，企圖孤注一擲。于謙先派石亨領兵埋伏在道旁民房內，另派小隊騎兵做先鋒，攻打瓦剌軍陣，接戰後假裝敗退。也先立刻下令命精騎萬餘，直追明軍。待敵軍接近城門，于謙令神機營火炮火銃齊發，同時，石亨的伏兵驟出，前後夾攻。也先軍大亂，明軍勇氣倍增，個個奮勇殺敵。瓦剌軍大敗於城下，死傷不計其數。
見德勝門攻不下，也先又轉攻西直門。都督孫鏜率軍迎戰，兩軍展開肉搏。孫鏜力破敵軍前鋒，瓦剌軍稍向北退。孫鏜追擊，瓦剌軍增援部隊趕來，孫鏜率軍拼力血戰，殺得難解難分。這時，高禮、毛福壽等率明兵從南面趕來助戰，戰鬥更加激烈。高禮身中流彈，孫唐兵死傷漸多，遂被瓦剌軍圍攻，敵人漸漸逼近城門。危急時刻，城上守將程信急發箭炮助戰。這時，石亨領兵又從北面殺來，瓦剌軍三面被圍攻，難以支撐，遂向西南方向退去。北京保衛戰第一次大會戰，給了囂張的也先部隊迎頭痛擊。
十四日，瓦剌軍又攻打彰儀門(北京外門，又稱廣安門)土城。于謙親臨指揮。他先派毛福壽在京城外西南一帶街巷要道埋伏下神機火銃隊，又派武興、王敬率軍迎敵。瓦剌多爲騎兵，最怕火槍、火銃。于謙就派神機營在前，弓刀隊在後，以火槍、火銃爲掩護，弓刀隊上前奮勇殺敵，兩隊配合默契，打得敵軍無力抵擋，眼看就要潰逃而去。
于謙領導北京保衛戰，大敗也先。正在這時，代宗派來的一個監軍爲爭首功，貿然領數百名騎兵馳馬搶先，陣式被衝亂了。也先見明軍陣容動搖，心中大喜，馬上下令反攻。明軍措手不及，一直退到土城附近。幸好王殤、毛福壽和高禮及時率兵來援，瓦剌軍難以抵擋，又倉皇退走了。這是北京保衛戰的第二次大勝利。
經過五天的激烈戰鬥，瓦剌軍死傷嚴重，士氣低落，處境十分狼狽。驕橫的也先本來以爲能輕而易舉攻佔北京，沒想到，這次遇到的是兵部尚書于謙親自指揮下的明朝軍隊。這支軍隊紀律嚴明，陣容整齊，士氣高漲，與三個月前王振率領的鬆散的明軍截然不同。也先眼看士兵傷亡慘重，又聽說各地明朝援軍即將到京，不敢戀戰，於十五日夜間，拔營逃跑。于謙立即命令石亨等領兵追擊，又命城樓的火炮手對準敵營猛轟，瓦剌兵又死傷上萬人，殘軍倉皇退卻。
京師保衛戰取得全面勝利後，二十二日，于謙派遣孫鏜、範廣等率兵兩萬，追剿瓦剌軍殘部。二十四日孫、範大軍追擊並打敗敵軍於固安。宣府守將楊洪率兵兩萬，擊敗瓦剌軍於霸州，擒獲敵軍將官阿歸等48人，奪回所掠人口、牲畜數以萬計。到十一月八日，瓦剌軍殘部退出塞外，京師宣佈解危
