布置完畢，於謙下令閉門誓師，宣布任何人即使戰敗也不得退入城內。並且還規定，將領臨陣不顧軍隊先退的，斬首；軍士不聽將領指揮先退的，後隊斬前隊。
於謙甲胄披身，眼噙淚花，號召守城三軍：“要用我們的頭顱與熱血，來雪皇帝被俘的奇恥大恨！”
10月11日，瓦剌軍主力逼近北京。也先命軍隊列陣於西直門，而把明英宗放置在德勝門外，想要迫使明政府獻城投降。
於謙不為所動，決定先發製敵，打一打也先的氣焰，於是命令都督高禮、毛福壽率軍出擊，在彰義門北，打敗了瓦剌軍先鋒，斬殺數百人，奪回被俘者千餘人。這天晚上，於謙又派薛斌率軍潛入瓦剌軍營，偷襲成功。瓦剌軍受此兩挫，士氣大為折損。
也先原以為明軍不堪一擊，沒想到北京守軍陣嚴氣盛，戰鬥力這麼強，開始感到有點驚恐。也先料想如果繼續打下去，恐怕於己不利，便采納了投降太監喜寧的計策，遣使入城，邀明政府派大臣“迎駕”議和，妄圖誘於謙、石亨等人前來，將其扣留，使明軍失去指揮，不戰自潰。
於謙馬上意識到這是一個陰謀，但為了揭穿也先的詭計，掌握主動，遂派趙榮、王複前往談判。同時，於謙下令守城將士不得談論議和之事。
也先見於謙、石亨等重要將領未到，就借口來使官小，不與談判，要於謙、石亨、王直等人親自前來。這時朝中主和派又乘機大倡和議之策，明景帝一時難以決斷，就派人征求於謙的意見。於謙堅定地回答：“現在我隻知道有戰事，其他事一概不願聽到。”並勸明景帝，“當前應以社稷為重，君為輕。”於謙的一番話，堅定了明景帝抗戰的決心，粉碎了也先的陰謀。
10月13日，也先撕下了議和的偽裝，集中主力向德勝門發動進攻。於謙令石亨在城外民房設置伏兵，派小隊精騎主動迎擊，交戰後佯裝敗退，誘使敵人進入設伏地域。
也先果然中計，率萬名騎兵緊追不舍。明軍出其不意，指揮神機營突然發射神銃、火箭，打得瓦剌軍暈頭轉向。石亨乘機率伏兵投入戰鬥，前後夾攻，瓦剌軍死傷無數。
號稱“鐵頸元帥”的也先弟弟勃羅和平章卯那孩也中炮身亡。也先這時才發現明軍主力就在德勝門，於是急忙撤軍，集中力量轉攻西直門。
都督孫鏜率西直門部隊迎擊瓦剌軍，殺敗了瓦剌軍先鋒。但也先不斷增兵，孫鏜力戰不支，想退入城中。負責監軍西門的給事中程信嚴令不許開城門，讓城上守軍發射火器轟擊瓦剌軍，配合孫鏜守軍戰鬥。就在這時，高禮、毛福壽和石亨率援兵從彰義門、德勝門趕到，會合孫鏜三麵圍攻瓦剌軍。瓦剌軍抵擋不住，在也先的率領下倉皇向西南方退去。
10月14日，也先整頓兵馬，再次進攻彰義門。於謙派武興、王敬率軍迎戰。明軍前隊以神銃轟擊，後隊列弓弩繼進，將瓦剌軍擊退。而明景帝所派的監軍太監率數百騎企圖搶前爭功，衝亂了明軍的陣勢，副總兵武興中箭犧牲。瓦剌軍乘勢反擊，追至德勝門外的土城。
在此危急時刻，土城居民紛紛爬上屋頂，大聲呼喊，向瓦剌軍投擲磚石，配合明軍打擊瓦剌軍。僉都禦史王弦和都督毛福壽又率援軍趕到，再次打退瓦剌軍的進攻。
與此同時，進攻居庸關的5萬瓦剌軍也遭到守關明軍的頑強抵抗，被迫撤退。也先見北京城防守嚴密，屢戰不利，手中的明英宗又失去了要挾作用，在得到中路軍兵敗居庸關的消息後，又獲悉各地勤王軍即將到達，他害怕後路被切斷，於15日夜間偷偷拔營撤走。
於謙發現也先撤軍，立即派石亨等集中火炮轟擊，並急令明軍乘勝追擊，又在固安、霸縣殲滅瓦剌軍萬餘人，擒獲其將領48人，奪回被擄人口、牲畜數以萬計。
至此，北京保衛戰取得了完全的勝利。
瓦剌敗退後，於謙繼續加強北方邊鎮的防務。也先幾次出兵南犯，都被擊退。在武戰不勝、求和不成的情況下，瓦剌被迫於1450年8月無條件釋放明英宗回朝，恢複了對明代的臣屬關係。其後，瓦剌內部矛盾不斷加劇，勢力漸衰，明朝北方邊境的威脅得以解除。