固守京師
土木堡之變的消息傳到京師後，舉朝震動，城內人心惶惶。八月十八日皇太后命皇帝異母弟弟郕王朱祁鈺監國，召集朝臣商議戰守大計。以徐有貞爲首的一些大臣主張還都南京;而主張抵抗的兵部侍郎于謙則以宋朝南遷的故事爲反對遷都，並對皇太后曉以遷都的利害，徵得皇太后的支持。吏部尚書王直、內閣學士陳循等人都贊同于謙，廷議乃決定固守北京。
積極備戰
穩定內部
八月二十三日，于謙等人針對當時的危急局面，採取了一系列措施，首先，誅除宦黨，平息民憤。明廷將招致土木堡之變的罪魁禍首王振抄家滅族，打擊宦黨的氣焰，初步穩定了內部;其次，八月二十九日，文武百官請皇太后改立監國郕王爲帝，遙尊被俘的朱祁鎮爲太上皇。當時，也先挾明英宗作爲攻城略地的政治工具。于謙提出“社稷爲重，君爲輕”的口號。擁立朱祁鈺即位，這樣即使也先的陰謀不能得逞。再次，舉薦人才，調兵遣將，妥善安排。原大同副將石亨在“土木堡之戰”中戰敗，單騎逃回，被貶官下獄。于謙認爲，世界上沒有常勝將軍，而且戰敗的主要責任不在他。於是將其釋放，並委任以京師總兵官的重任，統一指揮京師步兵部隊。在後來的北京保衛戰中，石亨指揮有方，英勇作戰，戰果顯著。“論功，亨爲多，晉侯”。同時，另以名將指揮京城的火器部隊、騎兵部隊和鎮守大同、宣府、居庸關、紫荊關等重要關口，並嚴懲了一批貪生怕死、玩忽職守的將校。另外，于謙還改革了軍制，把傳統的“三大營”改爲10個團營，使其更加適應防禦作戰的需要。經過一個多月的整軍備戰，明軍兵精糧足，士氣大振，嚴陣以待。
作戰部署
按照明朝的體制，兵部尚書是不能直接指揮軍隊的。爲此，明代宗專門下令，授予于謙“提督各營軍馬”的重任，命在京的各營將領皆接受其節制。將士凡有違抗軍令者，于謙有先斬後奏之權。於是，于謙擔負起了全權指揮北京保衛戰的重任，其地位僅次於皇帝。又便於統一部署，共同抗擊瓦剌于謙升任兵部尚書，積極備戰;于謙注意提拔一批有才能的將領。同時，從各地調來兵力，日夜趕造武器，裝備軍隊。在北京周圍。佈置兵力，嚴把九門。注意日夜操練軍隊，迅速地提高戰鬥力。隨後兩京、河南、山東等地的勤王部隊也陸續趕到。于謙嚴整軍紀，並選撥新進將領操練軍兵，分守九城，並命令邊防部隊加緊修固沿邊大小關隘。
這樣，逐步形成了一個依城爲營，以戰爲守，分調援軍，內外夾擊的作戰部署，準備與瓦剌軍決戰於北京城下。
後勤保障
于謙認爲，土木堡之戰的失利，犯了許多兵家之大忌，其中後勤保障沒搞好是重要原因。20萬明軍長期在風雨中輾轉，軍糧不備、軍械不習、運輸不及時，連唯一的飲用水源都被切斷，在人飢馬渴的情況下，是不能打勝仗的。因此，于謙上任後，首先實行正確的後勤方略，從人力、物力、財力等各方面做好後勤準備。
在人力準備方面，着重整頓、充實京軍。京軍的主力在土木堡之戰中覆沒後，京城只剩下部分守城部隊。爲了迎接戰鬥，于謙重組京軍。他急調兩京、河南的備操軍，沿海的備倭軍，江北及北京諸府運糧的官軍，以及浙江兵來到北京，使京城兵力由數萬人迅速增加到22萬多人，形成了兵力數量上對於瓦剌軍隊的優勢。並派監察御史白圭等15名重要官員，前往京畿、山東、山西、河南等地招募兵員，進行應急訓練，以備補充。
在武器裝備的籌措方面，于謙也想盡了辦法。當時，京城軍中僅有1/10的將士有盔甲，兵器也嚴重不足。爲此，他一方面命令工部加緊趕製，一面將南京庫存兵器的2/3，共126萬件調入北京，補充守城部隊。還派出人員到土木堡收集明軍潰敗時丟棄的頭盔9000餘項、甲5000餘件;神槍(火槍)1.1萬餘杆、神銃(火銃)2萬多隻，神箭(火箭)44萬枚、火炮800餘門。並更換了明軍的戰服、軍旗等。
在糧食儲備和運輸方面，當時，供應北京的糧食有數百萬石儲備在東郊的通州，可供京師軍民一年的食用。由於短期內無法將其運到北京，有人擔心被瓦剌利用，主張將這些糧食燒燬。于謙不同意。他認爲，這些糧食是寶貴的財富，是京城保衛戰的重要物質基礎。如果沒有糧食，軍隊就會不戰自潰。因此，它採用了一切措施運糧。除官府徵用的500輛大車晝夜運糧外，還動員百姓及官兵的家屬、親友自備車輛前往通州運糧。並提出，對運到北京20石以上糧食的人，除運費外，另發白銀一兩，以資鼓勵。重賞之下有勇夫。在於謙的督促下，運糧隊伍川流不息，晝夜往返。不幾天工夫，就把通州的幾百萬石糧食運進京城並儲備起來，從而使軍心大振，也穩定了民心。在此基礎上，于謙還下令，官兵皆預支半年祿餉，衆從皆歡呼雀躍。
發動羣衆
在發動羣衆支前方面，于謙將全城軍民都動員起來，備戰備荒。城內的木土、瓦匠、石匠等統一編成工程隊，進行訓練。籌集了大量磚石、木材、石灰、工具等，以備戰時急用。組織力量加固北京周邊45裏的城牆，增修了京城的崇文、正陽、宣武、東直、朝陽、西直、阜成、德勝、安定9門，特別是城北的德勝門、安定門，城西的西直門和阜成門，把城內側由土築改爲磚砌，並深浚了城壕，加強了城防。同時，命令工部組織人員在城牆堞口設置門扉，在城東、西、南面城牆上綁上沙欄木，共設置門扉11000餘個、沙欄木長5100餘丈，進一步增強了北京城池的防禦性能。爲了進一步發動羣衆，于謙還傳檄京城周圍的州縣和山西、河北等地民衆，拿起武器，視情況打擊瓦剌軍隊，切斷其後路。
也先進犯
正統十四年(1449年)十月初一，瓦剌軍挾持被俘的明朝英宗皇帝大舉南下。一路經宣府進攻居庸關，從京師正面吸引明軍。也先親率主力3萬人經大同進攻紫荊關，迂迴京師。
十月九日，在投降的明太監喜寧的幫助下，也先攻佔紫荊關，挾持英宗經易州、良鄉、盧溝橋，於十月十一日進抵北京城郊。面對強敵，石亨提出了收兵入城，禁閉9門，依託城池進行固守的建議。于謙認爲，瓦剌勢盛，如果示弱，會使敵人更加猖狂。他主張，採用背城決戰的方略，將22萬大軍列陣京城9門之外，並以重兵伏設於德勝門，形成了一個依城爲營，以戰爲守，分調援軍，內外夾擊的作戰部署，準備與瓦剌軍於北京城下一決死戰。
十月十一日，瓦剌軍逼近北京。也先將軍隊佈置在西直門以西。于謙派兵迎擊瓦剌軍於彰義門，打敗也先部隊先鋒，奪回被俘者一千多人。同時于謙又派人率兵夜襲，以疲憊敵軍。
十月十二日，也先將主力列陣西直門外後，挾持英宗皇帝到德勝門外的土城，要求朝廷派于謙、石亨等高級將領親自出迎，並索求金帛數以萬萬計，企圖以此將明軍主將擒獲，迫使明朝獻城。于謙識破了敵人的陰謀，一方面派出官員朝見英宗，一方面提出“社稷爲重，君爲輕”的主張，統一官兵思想，嚴陣以待，粉碎了也先的誘騙陰謀。在兵力部署上，于謙審時度勢，靈活用兵;在戰役主要方向上，隱蔽主力，待機殲敵;在次要方向上，避敵主力，採取小股襲擾，處處出擊的策略，迷惑敵軍，給瓦剌軍造成錯覺。當夜，兩路明軍主動出擊，斬殺瓦剌軍數百，乘勝而歸，使軍威大振。
十月十三日，瓦剌軍乘風雨大作，集中全力進攻德勝門。于謙命大將石亨在城外民房內埋伏好軍隊，然後派遣少數騎兵佯裝戰敗以引誘敵人。也先果然中計，親率精騎萬人窮追不捨。等也先軍進入埋伏圈後，于謙一聲令下，明軍開始反擊。只見神機營火器齊發，火箭弓弩多如飛蝗般地射向敵軍，明軍前後夾擊，也先部隊大敗而歸。也先的弟弟孛羅、平章卯那孩等將中炮身死，瓦剌軍受到很大打擊。也先發覺明軍主力在德勝門，便集中力量轉攻西直門。都督孫鏜率軍迎戰，打敗也先的先頭部隊。由於也先不斷增兵圍攻孫鏜，孫鏜力戰不支，退至城下，此時，把守城頭的給事中程信，嚴令不準開城。同時，命城上守軍發神炮，火箭轟擊瓦剌軍，明軍又從彰義門、德勝門抽兵增援，終於打退了瓦剌軍的進攻。
十月十四日，瓦剌軍又改爲進攻彰義門。于謙命守軍將城外的街巷堵塞，在重要的地帶埋伏好神銃手、短槍手，又派兵在彰義門外迎戰。明軍前隊用火器轟擊敵軍，後隊由弓弩壓陣跟入，擊退了瓦剌軍的進攻。而此時，景帝所派監軍太監，率數百騎兵衝擊敵陣去搶功，使明軍陣勢陷入混亂。瓦剌軍乘勢反擊，追到德勝門外。在萬分危急關頭，當地居民紛紛登上房頂，以磚石迎戰瓦剌軍。于謙派出的援軍也及時趕到，打退了瓦剌軍的反撲。
取得勝利
也先在進攻北京的過程中，到處遭到軍民的抵抗和不斷襲擊。各地的百姓自動組織起來，抗擊瓦剌軍的掠奪。北方邊陲重鎮的守兵，也抱着與城共存亡的決心，誓死保衛國土。也先進攻北京各門屢次遭到失敗，中路軍在居庸關的進攻也受挫，並獲悉明朝各路援軍即將到達。唯恐後路被切斷，便於十五日夜率一部人馬，挾持英宗朱祁鎮由良鄉(今北京市房山東北)向紫荊關撤退。
于謙發現也先軍隊正在撤退，即命令石亨等集中火炮轟擊也先軍營，炸死瓦剌軍一萬餘人。瓦剌軍在撤退的路上，一路燒殺搶掠，掠奪了許多物資和人口。而明軍分路追擊;石亨大破瓦剌軍於清風店(今河北易縣西);範廣在固安打敗瓦剌軍。也先一路狂逃，十月十七日，撤出紫荊關，不久退往關外。東路的脫脫不花軍，聞得中路、西路已敗，亦立即撤退，並於十月二十日單獨遣使進貢，來北京議和。至此，明軍取得了保衛北京的勝利。
也先率軍退至塞外，數次南下，都因明軍防範嚴密而未得逞。鑑於政治誘降落空，軍事進攻又遭失敗。在長期的戰爭中，損失了大量的人力和物力，又失去了與明朝經商的機會。萬般無奈之下，於景泰元年(1450年)八月無條件地釋放了明英宗，恢復與明朝的臣屬關係。這在中國歷史上，漢族君主被外族掠去，又無條件釋放回國的還是第一次。其後，在蒙古族內部的相王爭鬥中，也先的勢力一落千丈，日漸衰竭。
