当朱祁镇土木堡被俘的消息传到北京后，朝野上下惊惶失措，一个个吓得六神无主，京城内顿时人心惶惶。这时候，以徐有贞为首的一些大臣主张立即南迁，整个朝廷处于动荡不安之中。就在这生死存亡之际，时为兵部侍郎的于谦以“宋朝南迁”的故事反对迁都，还力主“国不可一日无君”，并向皇太后分析了迁都的种种利害，最后终于说服了皇太后。吏部尚书王直、内阁学士陈循等人也都赞同于谦，廷议于是决定固守北京。为了安定人心，皇太后立即下旨立朱祁镇的弟弟朱祁钰为君，是为明代宗，年号景泰(故明代宗又称景泰帝)，成为明朝的第七位皇帝。
明代宗朱祁钰即位后，立即封于谦为兵部尚书，并授予重任。为何要拥立朱祁钰即位呢？原来于谦是这样想的：首先，也先的阴谋不能得逞，又便于统一部署，共同抗击瓦剌；再次，举荐人才，调兵遣将，妥善安排。于谦注意提拔一批有才能的将领。同时，从各地调来勤王兵，不分昼夜地赶造武器，装备军队。同时，在北京周围还布置兵力，严把九门，注意日夜操练军队，迅速地提高战斗力。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。
正统十四年(1449年)十月初一，瓦剌首领也先率一路兵马，经过大同、阳和等地，并占领紫荆关，长驱进入北京地区。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。十月十三日，瓦剌军趁风雨大作，进攻德胜门。于谦命大将石亨在城外民房内埋伏好军队，然后派遣小股骑兵佯败诱敌。也先果然中计，亲率大批部队穷追不舍。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，也先部队大败而逃。
瓦剌军受到致命的打击之后，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。
第二天，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，明代宗朱祁钰所派监军太监，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。
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，挟持朱祁镇由良乡(今北京市房山)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朱祁镇。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。
北京保卫战是明朝历史上的一次壮举，它粉碎了也先图谋中原的企图，同时也是英雄于谦人生中的一大亮点。