根據敵我雙方的軍事力量和也先的氣焰，於謙估計，也先一定不會就此罷兵，他向景帝慷慨泣奏說：“也先得誌，留住大駕，勢必輕我中朝，長驅深入，不可不預為計。前各營精銳，盡遣隨征，軍資器械，十無存一。應當趕快遣官四出，招募官舍餘丁義勇，集合附近居夫，用他們換下沿河漕運官軍，而讓這些漕運官軍全部隸歸神機營等，操練聽用。並令工部齊集物料，內外局廠晝夜加工，製造攻戰器具。京師九門，宜派都督孫鏜等人帶領士兵，出城守護，列營操練，以振軍威，並選派給事中、禦史等官，分出巡視，勿致疏虞。遷城外居民於城內，隨地安插，避免瓦剌兵的擄掠。通州壩上倉糧，不可丟棄以資敵寇，令各官自行到倉支取月糧，方為兩得。至於軍旅之事，臣身當之，不效則治臣之罪。”他的這些建議，切實可行，措置有方，景帝都采用了。
十月，也先挾帶英宗，攻破紫荊關，明朝守將戰死。也先麾軍入關，直指北京城。麵對強大的敵人，主將石亨主張盡閉九門，堅壁以避敵鋒。於謙堅決反對，他說：“敵人氣勢囂張，而我為何又先示弱，使其更加輕視於我？”他分遣諸將列陣於九門之外，下令盡閉各城門，以示明軍誓與京城共存亡的抗戰決心。他把自己安排在北麵的德勝門外，和石亨一起，抵擋敵人的正麵進攻。部署已定，於謙傳令九門：“臨陣將不顧軍先退者，斬其將；軍不顧將先退者，後隊斬前隊。”於是，將士人人效命。於謙本身戴盔披甲，親臨戰陣巡視指揮，以自己的行動激勵將士勇敢作戰，保衛首都。十月十三日，瓦剌軍攻德勝門。於謙令石亨帶兵埋伏在民間空屋裏，然後派數騎誘敵。瓦剌1萬多名騎兵追擊進入埋伏圈後，一聲炮響，伏兵四出，火器齊發，瓦剌軍人仰馬翻，大敗而逃。也先的弟弟孛羅和瓦剌的平章卯那孩都中炮身死。瓦剌軍轉攻其他城門，同樣受到明軍的堅決抗擊。在德勝門北麵土城的戰鬥中，明朝軍民配合作戰，使瓦剌軍又吃了一個大敗仗。當明軍和瓦剌軍在激戰時，土城老百姓紛紛爬上屋頂，以磚石為武器，鋪天蓋地般地投擊敵人，喊殺聲震天動地。兩軍相持了五天，瓦剌軍四麵楚歌，連戰皆敗。也先本想擁著明英宗，逼明朝城下議和，撈取金銀財物，沒想到一個子兒也沒撈到，反倒損失了許多人馬，又聽說明朝的各路援兵快要到了，恐怕歸路被切斷，於是，又擁著明英宗匆匆撤圍西去。於謙指揮軍隊乘勝追擊，奪回了瓦剌沿途擄獲的許多百姓和財物。北京保衛戰取得了輝煌的勝利。