瓦剌軍即將打來，於謙注意提拔一批有才能的將領，將蕭覬飛他們也編入隊伍。同時，從各地調來兵力，日夜趕造武器，裝備軍隊。在北京周圍。布置兵力，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。於謙嚴整軍紀，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為營，以戰為守，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。
於謙認為，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。二十萬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，在人饑馬渴的情況下，是不能打勝仗的。因此，於謙實行正確的後勤方略，從人力物力財力等各方麵做好後勤準備。
在人力準備方麵，著重整頓、充實京軍。京軍的主力在土木堡之戰中覆沒後，京城隻剩下部分守城部隊。為了迎接戰鬥，於謙重組京軍。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二十二萬多人，形成了兵力數量上對於瓦剌軍隊的優勢。並派監察禦史白圭等十五名重要官員，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麵，於謙也想盡了辦法。京城軍中僅有十分之一的將士有盔甲，兵器也嚴重不足。為此，他一方麵命令工部加緊趕製，一麵將南京庫存兵器的三分之二調入北京，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盔甲；神槍、神銃，神箭、火炮。並更換了明軍的戰服、軍旗等。
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，主張將這些糧食燒毀。於謙認為，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，它采用了一切措施運糧。除官府征用的五百輛大車晝夜運糧外，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，對運到北京二十石以上糧食的人，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。於謙還下令，官兵皆預支半年祿餉，眾從皆歡呼雀躍。
於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四十五裏的城牆，增修了京城的崇文、正陽、宣武、東直、朝陽、西直、阜成、德勝、安定九門，特別是城北的德勝門、安定門，城西的西直門和阜成門，把城內側由土築改為磚砌，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、南麵城牆上綁上沙欄木，進一步增強了北京城池的防禦性能。為了進一步發動群眾，於謙還傳檄京城周圍的州縣和山西、河北等地民眾，拿起武器，視情況打擊瓦剌軍隊，切斷其後路。
一個月後，瓦剌軍挾持被俘的明英宗大舉南下。一路經宣府進攻居庸關，從京師正麵吸引明軍。也先親率主力三萬人經大同進攻紫荊關，迂回京師。八日後，在投降的明太監喜寧的幫助下，也先攻占紫荊關，挾持英宗經易州、良鄉、盧溝橋，十日後進抵北京城郊。
皇帝命石亨於謙全權負責保衛，石亨與於謙站在城牆上，石亨道:“於大人，末將認為我們應該收兵入城，禁閉九門，依靠城池進行固守，您看如何？”