根据敌我双方的军事力量和也先的气焰，于谦估计，也先一定不会就此罢兵，他向景帝慷慨泣奏说：“也先得志，留住大驾，势必轻我中朝，长驱深入，不可不预为计。前各营精锐，尽遣随征，军资器械，十无存一。应当赶快遣官四出，招募官舍余丁义勇，集合附近居夫，用他们换下沿河漕运官军，而让这些漕运官军全部隶归神机营等，操练听用。并令工部齐集物料，内外局厂昼夜加工，制造攻战器具。京师九门，宜派都督孙镗等人带领士兵，出城守护，列营操练，以振军威，并选派给事中、御史等官，分出巡视，勿致疏虞。迁城外居民于城内，随地安插，避免瓦剌兵的掳掠。通州坝上仓粮，不可丢弃以资敌寇，令各官自行到仓支取月粮，方为两得。至于军旅之事，臣身当之，不效则治臣之罪。”他的这些建议，切实可行，措置有方，景帝都采用了。

十月，也先挟带英宗，攻破紫荆关，明朝守将战死。也先麾军入关，直指北京城。面对强大的敌人，主将石亨主张尽闭九门，坚壁以避敌锋。于谦坚决反对，他说：“敌人气势嚣张，而我为何又先示弱，使其更加轻视于我？”他分遣诸将列阵于九门之外，下令尽闭各城门，以示明军誓与京城共存亡的抗战决心。他把自己安排在北面的德胜门外，和石亨一起，抵挡敌人的正面进攻。部署已定，于谦传令九门：“临阵将不顾军先退者，斩其将；军不顾将先退者，后队斩前队。”于是，将士人人效命。于谦本身戴盔披甲，亲临战阵巡视指挥，以自己的行动激励将士勇敢作战，保卫首都。十月十三日，瓦剌军攻德胜门。于谦令石亨带兵埋伏在民间空屋里，然后派数骑诱敌。瓦剌1万多名骑兵追击进入埋伏圈后，一声炮响，伏兵四出，火器齐发，瓦剌军人仰马翻，大败而逃。也先的弟弟孛罗和瓦剌的平章卯那孩都中炮身死。瓦剌军转攻其他城门，同样受到明军的坚决抗击。在德胜门北面土城的战斗中，明朝军民配合作战，使瓦剌军又吃了一个大败仗。当明军和瓦剌军在激战时，土城老百姓纷纷爬上屋顶，以砖石为武器，铺天盖地般地投击敌人，喊杀声震天动地。两军相持了五天，瓦剌军四面楚歌，连战皆败。也先本想拥着明英宗，逼明朝城下议和，捞取金银财物，没想到一个子儿也没捞到，反倒损失了许多人马，又听说明朝的各路援兵快要到了，恐怕归路被切断，于是，又拥着明英宗匆匆撤围西去。于谦指挥军队乘胜追击，夺回了瓦剌沿途掳获的许多百姓和财物。北京保卫战取得了辉煌的胜利。

也先退出后，心生一计，声言要送英宗回朝。明朝的主和派因此又吵嚷着要与瓦剌议和，甚至许多主战派官员也认为必须迎回英宗，倾向于妥协。于谦识破也先的阴谋，他力排众议，指出这是敌人企图借此向我索取财物，并说：“社稷为重，君为轻。”他派人申诫各边镇将帅，万勿中敌人的奸计，要做好防御工作，并选派将领，镇守边防重地。他号令严肃，赏罚分明，因而，片纸行万里，无不惴惴效力。在于谦的整顿和指挥下，边防力量大大增强，各边镇的将帅也都主张抗战，也先在景泰元年（1450年）的几次侵扰都受到严厉打击，阴谋未能得逞。

为了加强京师的防卫力量，于谦又对京军三大营进行改编。明成祖时，把京军编为五军营（由中军、左掖、右掖、左哨、右哨五军编成，均为步骑兵）、三千营（初由塞外降兵3000人组成，全都是骑兵，主要任务是巡哨）、神机营（使用火器，皇帝出征时须随军出征），合称三大营。土木堡之变后，三大营丧失殆尽，而且这种组织法因兵种不同，训练各异，一遇调遣，士兵不习新号令，兵将不相认识，战斗力发挥不出来。于谦在原来三大营中选拔骁勇剽悍者15万人，分为十营，每营以一都督统领，下又分5000人为一小营，都指挥为小营的营长。这十营集中团操，称为团营。遇有战事，由原来各营的军官率领参加战斗。号令划一，兵将相习，克服了原来三大营的弱点，提高了战斗力。

明朝边疆和京师防守力量的增强，使也先更无隙可乘，而明朝又识破瓦剌以英宗相要挟的阴谋，拒绝与他议和言好，使也先无计可施。为了恢复与明朝的通贡和互市，也先在景泰元年八月不得不将英宗送回北京。英宗回到北京后，当个名誉上的太上皇，幽居南宫。