固守京师
土木堡之变的消息传到京师后，举朝震动，城内人心惶惶。八月十八日皇太后命皇帝异母弟弟J王朱祁钰监国，召集朝臣商议战守大计。以徐有贞为首的一些大臣主张还都南京;而主张抵抗的兵部侍郎于谦则以宋朝南迁的故事为反对迁都，并对皇太后晓以迁都的利害，征得皇太后的支持。吏部尚书王直、内阁学士陈循等人都赞同于谦，廷议乃决定固守北京。
积极备战
稳定内部
八月二十三日，于谦等人针对当时的危急局面，采取了一系列措施，首先，诛除宦党，平息民愤。明廷将招致土木堡之变的罪魁祸首王振抄家灭族，打击宦党的气焰，初步稳定了内部;其次，八月二十九日，文武百官请皇太后改立监国J王为帝，遥尊被俘的朱祁镇为太上皇。当时，也先挟明英宗作为攻城略地的政治工具。于谦提出社稷为重，君为轻的口号。拥立朱祁钰即位，这样即使也先的阴谋不能得逞。再次，举荐人才，调兵遣将，妥善安排。原大同副将石亨在土木堡之战中战败，单骑逃回，被贬官下狱。于谦认为，世界上没有常胜将军，而且战败的主要责任不在他。于是将其释放，并委任以京师总兵官的重任，统一指挥京师步兵部队。在后来的北京保卫战中，石亨指挥有方，英勇作战，战果显著。论功，亨为多，晋侯。同时，另以名将指挥京城的火器部队、骑兵部队和镇守大同、宣府、居庸关、紫荆关等重要关口，并严惩了一批贪生怕死、玩忽职守的将校。另外，于谦还改革了军制，把传统的三大营改为10个团营，使其更加适应防御作战的需要。经过一个多月的整军备战，明军兵精粮足，士气大振，严阵以待。
作战部署
按照明朝的体制，兵部尚书是不能直接指挥军队的。为此，明代宗专门下令，授予于谦提督各营军马的重任，命在京的各营将领皆接受其节制。将士凡有违抗军令者，于谦有先斩后奏之权。于是，于谦担负起了全权指挥北京保卫战的重任，其地位仅次于皇帝。又便于统一部署，共同抗击瓦剌于谦升任兵部尚书，积极备战;于谦注意提拔一批有才能的将领。同时，从各地调来兵力，日夜赶造武器，装备军队。在北京周围。布置兵力，严把九门。注意日夜操练军队，迅速地提高战斗力。随后两京、河南、山东等地的勤王部队也陆续赶到。于谦严整军纪，并选拨新进将领操练军兵，分守九城，并命令边防部队加紧修固沿边大小关隘。
这样，逐步形成了一个依城为营，以战为守，分调援军，内外夹击的作战部署，准备与瓦剌军决战于北京城下。
后勤保障
于谦认为，土木堡之战的失利，犯了许多兵家之大忌，其中后勤保障没搞好是重要原因。20万明军长期在风雨中辗转，军粮不备、军械不习、运输不及时，连唯一的饮用水源都被切断，在人饥马渴的情况下，是不能打胜仗的。因此，于谦上任后，首先实行正确的后勤方略，从人力、物力、财力等各方面做好后勤准备。
在人力准备方面，着重整顿、充实京军。京军的主力在土木堡之战中覆没后，京城只剩下部分守城部队。为了迎接战斗，于谦重组京军。他急调两京、河南的备操军，沿海的备倭军，江北及北京诸府运粮的官军，以及浙江兵来到北京，使京城兵力由数万人迅速增加到22万多人，形成了兵力数量上对于瓦剌军队的优势。并派监察御史白圭等15名重要官员，前往京畿、山东、山西、河南等地招募兵员，进行应急训练，以备补充。
在武器装备的筹措方面，于谦也想尽了办法。当时，京城军中仅有1/10的将士有盔甲，兵器也严重不足。为此，他一方面命令工部加紧赶制，一面将南京库存兵器的2/3，共126万件调入北京，补充守城部队。还派出人员到土木堡收集明军溃败时丢弃的头盔9000余项、甲5000余件;神枪（火枪）1.1万余杆、神铳（火铳）2万多只，神箭（火箭）44万枚、火炮800余门。并更换了明军的战服、军旗等。
在粮食储备和运输方面，当时，供应北京的粮食有数百万石储备在东郊的通州，可供京师军民一年的食用。由于短期内无法将其运到北京，有人担心被瓦剌利用，主张将这些粮食烧毁。于谦不同意。他认为，这些粮食是宝贵的财富，是京城保卫战的重要物质基础。如果没有粮食，军队就会不战自溃。因此，它采用了一切措施运粮。除官府征用的500辆大车昼夜运粮外，还动员百姓及官兵的家属、亲友自备车辆前往通州运粮。并提出，对运到北京20石以上粮食的人，除运费外，另发白银一两，以资鼓励。重赏之下有勇夫。在于谦的督促下，运粮队伍川流不息，昼夜往返。不几天工夫，就把通州的几百万石粮食运进京城并储备起来，从而使军心大振，也稳定了民心。在此基础上，于谦还下令，官兵皆预支半年禄饷，众从皆欢呼雀跃。
发动群众
在发动群众支前方面，于谦将全城军民都动员起来，备战备荒。城内的木土、瓦匠、石匠等统一编成工程队，进行训练。筹集了大量砖石、木材、石灰、工具等，以备战时急用。组织力量加固北京周边45里的城墙，增修了京城的崇文、正阳、宣武、东直、朝阳、西直、阜成、德胜、安定9门，特别是城北的德胜门、安定门，城西的西直门和阜成门，把城内侧由土筑改为砖砌，并深浚了城壕，加强了城防。同时，命令工部组织人员在城墙堞口设置门扉，在城东、西、南面城墙上绑上沙栏木，共设置门扉11000余个、沙栏木长5100余丈，进一步增强了北京城池的防御性能。为了进一步发动群众，于谦还传檄京城周围的州县和山西、河北等地民众，拿起武器，视情况打击瓦剌军队，切断其后路。
也先进犯
正统十四年（1449年）十月初一，瓦剌军挟持被俘的明朝英宗皇帝大举南下。一路经宣府进攻居庸关，从京师正面吸引明军。也先亲率主力3万人经大同进攻紫荆关，迂回京师。
十月九日，在投降的明太监喜宁的帮助下，也先攻占紫荆关，挟持英宗经易州、良乡、卢沟桥，于十月十一日进抵北京城郊。面对强敌，石亨提出了收兵入城，禁闭9门，依托城池进行固守的建议。于谦认为，瓦剌势盛，如果示弱，会使敌人更加猖狂。他主张，采用背城决战的方略，将22万大军列阵京城9门之外，并以重兵伏设于德胜门，形成了一个依城为营，以战为守，分调援军，内外夹击的作战部署，准备与瓦剌军于北京城下一决死战。
十月十一日，瓦剌军逼近北京。也先将军队布置在西直门以西。于谦派兵迎击瓦剌军于彰义门，打败也先部队先锋，夺回被俘者一千多人。同时于谦又派人率兵夜袭，以疲惫敌军。
十月十二日，也先将主力列阵西直门外后，挟持英宗皇帝到德胜门外的土城，要求朝廷派于谦、石亨等高级将领亲自出迎，并索求金帛数以万万计，企图以此将明军主将擒获，迫使明朝献城。于谦识破了敌人的阴谋，一方面派出官员朝见英宗，一方面提出社稷为重，君为轻的主张，统一官兵思想，严阵以待，粉碎了也先的诱骗阴谋。在兵力部署上，于谦审时度势，灵活用兵;在战役主要方向上，隐蔽主力，待机歼敌;在次要方向上，避敌主力，采取小股袭扰，处处出击的策略，迷惑敌军，给瓦剌军造成错觉。当夜，两路明军主动出击，斩杀瓦剌军数百，乘胜而归，使军威大振。
十月十三日，瓦剌军乘风雨大作，集中全力进攻德胜门。于谦命大将石亨在城外民房内埋伏好军队，然后派遣少数骑兵佯装战败以引诱敌人。也先果然中计，亲率精骑万人穷追不舍。等也先军进入埋伏圈后，于谦一声令下，明军开始反击。只见神机营火器齐发，火箭弓弩多如飞蝗般地射向敌军，明军前后夹击，也先部队大败而归。也先的弟弟孛罗、平章卯那孩等将中炮身死，瓦剌军受到很大打击。也先发觉明军主力在德胜门，便集中力量转攻西直门。都督孙镗率军迎战，打败也先的先头部队。由于也先不断增兵围攻孙镗，孙镗力战不支，退至城下，此时，把守城头的给事中程信，严令不准开城。同时，命城上守军发神炮，火箭轰击瓦剌军，明军又从彰义门、德胜门抽兵增援，终于打退了瓦剌军的进攻。
十月十四日，瓦剌军又改为进攻彰义门。于谦命守军将城外的街巷堵塞，在重要的地带埋伏好神铳手、短枪手，又派兵在彰义门外迎战。明军前队用火器轰击敌军，后队由弓弩压阵跟入，击退了瓦剌军的进攻。而此时，景帝所派监军太监，率数百骑兵冲击敌阵去抢功，使明军阵势陷入混乱。瓦剌军乘势反击，追到德胜门外。在万分危急关头，当地居民纷纷登上房顶，以砖石迎战瓦剌军。于谦派出的援军也及时赶到，打退了瓦剌军的反扑。
取得胜利
也先在进攻北京的过程中，到处遭到军民的抵抗和不断袭击。各地的百姓自动组织起来，抗击瓦剌军的掠夺。北方边陲重镇的守兵，也抱着与城共存亡的决心，誓死保卫国土。也先进攻北京各门屡次遭到失败，中路军在居庸关的进攻也受挫，并获悉明朝各路援军即将到达。唯恐后路被切断，便于十五日夜率一部人马，挟持英宗朱祁镇由良乡（今北京市房山东北）向紫荆关撤退。
于谦发现也先军队正在撤退，即命令石亨等集中火炮轰击也先军营，炸死瓦剌军一万余人。瓦剌军在撤退的路上，一路烧杀抢掠，掠夺了许多物资和人口。而明军分路追击;石亨大破瓦剌军于清风店（今河北易县西）;范广在固安打败瓦剌军。也先一路狂逃，十月十七日，撤出紫荆关，不久退往关外。东路的脱脱不花军，闻得中路、西路已败，亦立即撤退，并于十月二十日单独遣使进贡，来北京议和。至此，明军取得了保卫北京的胜利。
也先率军退至塞外，数次南下，都因明军防范严密而未得逞。鉴于政治诱降落空，军事进攻又遭失败。在长期的战争中，损失了大量的人力和物力，又失去了与明朝经商的机会。万般无奈之下，于景泰元年（1450年）八月无条件地释放了明英宗，恢复与明朝的臣属关系。这在中国历史上，汉族君主被外族掠去，又无条件释放回国的还是第一次。其后，在蒙古族内部的相王争斗中，也先的势力一落千丈，日渐衰竭。
