初九，也先抵紫荊關親自督戰。投降瓦剌軍的明朝宦官喜寧熟知紫荊關關防部署，引導瓦剌軍偷越山嶺，腹背夾攻關城，守將韓青、孫祥戰死，紫荊關被攻破。瓦剌軍便由紫荊關和白羊口兩路進逼北京。
於謙下令“悉閉諸城門”，以示背城死戰的決心。於謙還下令：“臨陣，將不顧軍先退者，斬其將；軍不順將先退者，後隊斬前隊。”
十月十一日，瓦剌軍抵達北京城下，列陣西直門外，把英宗置於德勝門外空房內，企圖迫使明軍獻城。於謙暫隱主力，采用小部兵力處處襲擊，攪亂敵軍。當天晚上，高禮、毛福壽在彰義門北迎擊瓦剌軍，殺敵數百人，軍威大振，迫使瓦剌軍不敢貿然進攻。也先采納喜寧的建議，借議和誘於謙等人前往迎駕，乘機擒獲，明軍將無首而潰。於謙一方麵派王複、趙榮去瓦剌軍營進見英宗，另一方麵針對朝廷有些人想議和的心理提出現在隻管備戰，其他一概不聞。也先議和的陰謀沒有得逞。
十三日，也先集中主力進攻德勝門。於謙早料到瓦剌軍可能要從這裏進攻，就派石亨預先埋伏於德勝門外道路兩旁的空房中，明軍隻派少量精騎迎戰瓦剌軍，接戰後，佯裝敗退。瓦剌軍以萬餘騎追來。待瓦剌軍進入明軍伏擊圈時，範廣出其不意，指揮神機營突發火炮、火銃，同時，石亨所領伏兵突起夾攻。瓦剌軍大敗，有“鐵元帥”之稱的也先的弟弟孛羅和平章卯那孩都中炮身亡。瓦剌軍又轉攻西直門，明守將都督孫鏜率師迎戰。戰鬥打得十分激烈，明軍斬敵前鋒數人，迫其北退，孫鏜又率軍追擊。瓦剌軍合圍孫鏜，孫鏜盡力拚殺，一度退到城邊。幸高禮、毛福壽和石亨率兵前來增援，瓦剌軍三麵受敵，被迫退去。
瓦剌軍在德勝門和西直門受挫後，又在彰義門發動進攻。於謙命武興、王敬、王勇率軍迎戰瓦剌軍。明軍神銃、弓矢、短兵前後相繼，挫敗了敵軍的前鋒。但明軍自己也亂了方陣，瓦剌軍乘機反擊，明軍敗退，武興中流矢死。瓦剌軍追到土城，土城一帶的居民擲磚投石，阻遏了瓦剌軍的進攻。明援軍趕到，瓦剌軍倉皇逃走。
而進攻居庸關的5萬瓦剌軍，因天氣寒冷，明守將羅通汲水灌城，牆壁結冰，瓦剌軍無法進攻。經過7天的戰鬥，瓦剌軍的進攻均被擊退。羅通三次出關追擊，斬敵無數。也先又聽說明援軍將集，恐斷其歸路，遂於十月十五日夜下令北退。於謙命明軍乘勝追擊，二十四日、二十五日明軍在霸州(今河北霸縣)、固安等地大敗瓦剌軍。至十一月初八日，瓦剌軍退出塞外，京師解圍。京師保衛戰取得了輝煌的勝利。
明軍巧妙運用多層設防、背城決戰、機動作戰、要點防禦等不同的作戰樣式，擊敗了自恃強大的瓦剌軍，穩固了明王朝的統治，創造了中國戰爭史上城市防禦作戰的經典戰例。多層設防是這次戰爭的精彩體現。
薩爾滸之戰
明朝萬曆年間，政治腐敗，宦官閹黨專權，階級矛盾十分尖銳，武備廢弛。後金國努爾哈赤乘機向外擴張，發動了侵略遼寧的戰爭，先後攻占了撫順、清河等遼東要地，於是引發了薩爾滸之戰。
後金攻占撫順、靖河等地之後，明朝急召兵部侍郎楊鎬率10餘萬大軍(另一說為20萬，其中朝鮮援兵13萬人)，企圖兵分四路合圍後金都城赫圖阿拉(今遼寧新賓老城)，一舉消滅後金。具體部署為：杜鬆領兵3萬為左翼中路軍，馬林領兵15萬為左翼北路軍，李如柏領兵25萬為右翼中路軍，劉艇領兵1萬為右翼南路軍，楊鎬為諸路總指揮率大兵駐沈陽。