土木堡兵敗的第二天，一匹快馬倉皇入宮，報信人把土木堡全線崩潰、英宗被俘的消息告訴了皇太後和朱祁鈺，一時間宮廷內一片混亂。當晚，消息不脛而走，北京城裏人心惶惶。
為了安定人心，皇太後宣布由朱祁鈺監國（代理皇帝的職權），召集大臣，商討對策。大臣們意見不同，侍講徐珵（chéng）說：“天命就是這樣，隻有逃到南方去才能免禍。”兵部侍郎於謙厲聲說：“主張南遷的，就應該殺頭。京都是國家的根本，怎麼能隨意遷移呢？大家難道忘了南宋的教訓嗎？現在的辦法就是趕快調集軍隊，安定民心，準備戰守。”於謙的主張得到許多大臣的支持，皇太後決定讓於謙負責守衛北京。為安定人心，於謙等主戰派請太後正式宣布朱祁鈺做皇帝，英宗改稱太上皇。之後，朱祁鈺稱帝，即明代宗，又稱景泰帝。
於謙在危難之中接受了守城的重任。他一邊命令各邊關鎮守將領加強防備，調兵遣將，加強京城及附近的兵力，一邊從速修繕（shàn）器具，整頓內部，逮捕了一批瓦剌軍的奸細。
各地入京護衛的軍隊陸續到達，但土木堡的慘敗，使將土們十分畏懼瓦剌軍。於謙認為瓦剌軍氣焰囂張，隻有打敗他們才能保證國家的安定。針對將士們的怯懦，於謙下了一道嚴令：臨陣打仗時，將軍不顧士兵先退縮的，斬；士兵不顧將軍先退縮的，斬。將士們被於謙果敢堅決的精神感動了，土氣奮發昂揚，都下定決心誓死保衛北京。
於謙宣布將領們分別帶兵出城，在京城九門之外列陣，他親自率石亨等人駐守在德勝門外，麵對著敵人到來的方向。
也先的大本營設在北郊土城。為了探知明軍的兵力部署，他派出了探馬。於謙將計就計，用少量遊騎迷惑敵人，也先上當，以為明軍兵力有限，命令一萬多人馬發起進攻。當瓦剌軍進入埋伏圈後，明軍一躍而起，大力衝殺，也先軍潰不成軍，忙撤回土城。明軍緊追不舍，城外的百姓也配合明軍，爬上屋頂，向敵人投擲磚瓦，瓦刺軍死傷慘重。
也先攻北京損失慘重，知道明軍已有準備，如果不速戰速決，退路可能被明軍截斷，就有自身難保的危險。也先想不出什麼好辦法，隻能帶著明英宗和殘兵敗將撤退。於謙探知也先撤退，連夜命令石亨用大炮轟擊敵人營壘，殺死敵人數萬。也先逃走，北京的威脅也就解除了。
為了進一步加強北京的防守，於謙采取了有力的措施。他除了鞏固北邊防務外，還在西麵和南麵設鎮屯兵。他又改革軍製，設立團營，自己兼任總督，命令將土們每天操練，大大地提高了軍隊的作戰能力。
於謙立了大功，保住了北京城，受到北京軍民的擁護和愛戴，明代宗也十分敬重他。於謙兩袖清風，十分廉潔，住的房子非常簡陋，明代宗要為他建一座府第，於謙推辭說：“國家現在正是危難的時候，我怎麼能貪圖享受呢？”
於謙臨危不懼，運籌帷幄，指揮若定，挽救了明朝廷的危難，他力挽狂瀾，起到了中流砥（中）柱的作用。此後，也先又進攻過大同，包圍過代州，但再也未能長驅直入。北京城在以後的七八十年內再也沒有受到敵人的踐踏。