於謙分遣諸將率兵二十二萬列於京師九門之外，皆受石亨節製。於謙把兵部日常事務交侍郎吳寧處理，自己親自至德勝門石亨軍營，以抵禦瓦剌的主攻部隊。初九日下令“有盔甲軍士但今日不出城者斬。”等到各部軍隊皆出至城外部署完畢後，把所有的城門都關上，以示背城死戰的決心。下令“臨陣，將不顧軍先退者，斬其將；軍不顧將先退者，後隊斬前隊。”於謙自己則身先士卒，躬擐甲胄，“以示必死，泣以忠義諭三軍，人人感奮，勇氣百倍”，準備迎擊瓦剌軍。
十月十一日，瓦剌軍騎兵直撲北京城下，列陣西直門外，置英宗於德勝門外空房中看守。當天明都督高禮、毛福壽在彰義門北襲擊瓦剌軍，殺敵數百人，奪回被掠民眾千餘人。也先看到明軍陣容嚴整，不敢貿然進攻。叛閹喜寧就唆使也先要明朝派大臣迎接英宗，借議和試探明王朝的虛實。明朝知其詐，不派大臣迎駕，以通政使參議王複為右通政，中書舍人趙榮為太常少卿帶著羊酒出城到也先營去見英宗朱祁鎮。也先讓英宗帶刀坐帳中，自己和伯顏帖木兒等皆全副武裝，披甲胄張弓矢，引王複、趙榮進見。也先不受羊酒，取看番字公文，朱祁鎮看漢字公文。也先對王複等說：“你們這些小官，可令胡潑、於謙、王直、石亨、楊善等來，”並索取大量金帛財物。景帝和一些廷臣有些動搖，想議和，派人去問於謙。於謙回答：“今日止知有軍旅，它非所敢聞。”於謙的堅定態度，使景帝放棄了幻想，君臣協調一致挫敗了也先的訛詐陰謀。
十三日，也先率兵發起總攻。於謙、石亨率明軍與敵激戰於德勝門外，瓦剌軍進抵北京城下後，曾派遊騎到德勝門窺探明軍軍情，於謙判斷瓦剌軍可能要從這裏進攻，指示石亨預設伏兵於路旁空房之內，而派少量騎兵誘戰，旋佯裝敗退，瓦剌軍以萬騎尾追，待瓦剌軍逼近時，神機營火銃、火炮一齊向敵射發，同時石亨伏兵驟起，前後夾攻，也先軍驚憂，明軍副總兵範廣驍勇絕倫，躍馬當先，衝入敵陣，部下將兵齊力殺進。瓦軍大敗於城下，死傷無數，也先弟弟平章孛羅卯那孩，素有“鐵元帥”之稱，也在搏戰中被範廣所部的大炮擊斃。瓦剌軍轉攻西直門，都督孫鏜率軍迎擊，瓦軍稍向北退，孫鏜追擊，瓦剌軍增援反撲，孫鏜軍拚力血戰。明軍高禮、毛福壽等率兵從南麵助戰，激戰更急。戰陣漸逼近城門時，城上守將程信急發箭炮助戰，會石亨領兵又從北麵趕到，瓦剌軍三麵被圍攻，才向西南退去。
這次戰鬥後，於謙根據戰鬥中暴露出來的一些問題，重新作了部署，加強了西直門和彰義門之間的軍事力量。命都督毛福壽等在京城外西南街巷要路，堵塞路口，埋伏神銃短槍，以待策應。派僉都禦史王竑往毛福壽、高禮處提督軍務，與孫鏜一處屯兵。並要他們與彰義門方麵加強聯係，遇有緊急情況，互相應援，不許自分彼此，貽誤軍機。瓦剌軍在德勝門和西直門遭到挫折後，就在彰義門組織進攻。於謙命副總兵武興、都督王敬、都指揮王勇率軍往彰義門迎戰瓦剌軍。明軍俱以神銃列於前，弓矢短兵次之，挫敗了瓦剌軍的前鋒。但這時明方麵有數百騎想要爭功，自後躍馬衝出，衝亂了陣營，瓦剌軍乘機反擊，明軍敗退，武興中流矢死。瓦軍追到土城，土城一帶的居民紛紛爬上屋頂，以磚石為武器，鋪天蓋地般的投擊敵人，喊殺聲震天動地，瓦剌軍受到阻遏。王竑、毛福壽也聞訊趕來支援，瓦剌軍看到援軍的旗幟，不敢戀戰，倉皇退去。
這次也先率瓦剌軍深入京畿，原以為明軍不堪一擊，北京旦夕可下。但經過五天的戰鬥，皆被擊敗，議和“迎駕”的詭計又未得逞，也先感到沮喪，瓦剌軍的士氣低落。明軍自接戰以來，屢獲勝利，士氣大盛。而攻居庸關的五萬瓦剌軍，因天大寒，明朝守將羅通，汲水灌城，冰堅不得近。經過七天的戰鬥，瓦剌軍的進攻都被擊退，羅通三次出關追擊，斬獲無數。也先又聽得明朝的援軍將集，恐斷其歸路，遂於十五日夜拔營北遁。也先擁挾著英宗先退，於謙偵察朱祁鎮已走遠，就命石亨等舉火發大炮轟其營，瓦剌軍死者萬餘人。於謙派石亨率軍追擊到良鄉以西，十月十七日也先擁英宗出紫荊關退去。十一月八日瓦剌軍退回塞外，京師宣布解嚴。
在於謙的指揮組織下，北京保衛戰取得了勝利，挫敗了瓦剌軍想奪取北京的野心，明王朝轉危為安。也先手中的英宗，由奇貨變成了空質。然而土木之敗給明軍造成的巨大創傷也不是短期內能恢複的。這樣，在北京保衛戰後的短暫和平時期裏繼續整飭武備，團結內部的任務，仍沉重地壓在於謙的肩上。但是那時，明內部不團結，這個任務的完成極為不易。
北京保衛戰後，一些大臣妒忌於謙，有意貶低保衛京城的戰績，有的人甚至羅織罪名，彈劾於謙。侍講學士劉定之直言不諱，彈劾於謙、石亨無功拜爵。而羅通則含沙射影，攻擊於謙等不懂軍事，忌賢妒能，持祿保位。羅通是於謙從寒微中識拔的人才，他的這番話怎不叫於謙心寒。國難當頭，重任在肩，於謙以身許國，團結好內部要緊，於謙計較不了這許多。在北京保衛戰結束後，景帝論功行賞，加於謙少保總督軍務時，於謙講了句擲地有聲的鏗鏘壯語：“四郊多壘，卿大夫之恥也，敢邀功賞哉！”於謙已把全心交給了國家，還何恤人言。