十一日那天，瓦剌軍在西直門外列陣，兩軍對壘。也先仍揚言要釋放“聖駕”，脅迫明朝屈服講和，並指出要於謙等大臣出來迎接，但被拒絕了。當夜，明軍進擊瓦剌軍先鋒於彰儀門外，獲得第一次小勝，軍威大振。次日，明軍在各門外略有斬獲。十三日，瓦剌軍和明軍在德勝門外展開了激烈的鬥爭。當時天寒，降雪，又大風，忽而雷電降雨。於謙先派石亨領兵埋伏在道旁民間空屋內，另派小隊騎兵做急前鋒，衝擊瓦剌軍陣，接戰時假裝敗退，也先立刻揮動精騎萬餘，呼嘯追來，直逼明軍。於謙待敵軍近城，令神機營火炮火銃齊發，同時石亨伏兵驟起，前後夾攻，也先軍驚擾，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，瓦剌軍大敗於城下，死傷無算，也先弟平章孛羅卯那孩，在搏戰中被大炮擊斃。瓦剌軍轉攻西直門，都督孫鏜率軍迎擊，瓦剌軍稍向北退，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來助戰，激戰更急，戰陳漸逼近城門時，城上守程信急發箭炮助戰，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。這是明軍給也先以迎頭痛擊的第一次大會戰。次日，於謙又親自指揮都督毛福壽等軍大敗瓦剌軍於彰儀門土城外，在兩軍搏鬥時，京郊居民配合官軍奮勇殺敵，紛紛跳上屋頂牆頭，猛飛磚石，呼聲震天，瓦剌軍驚愕潰逃。這是明軍第二次大勝。繼而京郊軍民配合展開了追擊戰，瓦剌軍別支部隊分掠各州縣農村，也多遭民兵抗擊。也先迫使明朝“迎駕”的陰謀，毫未得逞，在五天的激戰中，又連戰連敗，死傷很多，也先大感沮喪。另外瓦剌軍在居庸關也被明守將羅通擊敗。十五日夜間，瓦剌軍拔營潛遁，於謙派石亨率軍追擊到良鄉以西。十七日，也先擁祁鎮出紫荊關退去。九、十月瓦剌軍焚掠山西、河北各地，也都被驅北退。十一月八日，瓦剌退出京師回到他們的塞外，此時京師宣布解嚴。
抗擊瓦剌侵入守禦京師是正義的衛國戰爭。在廣大人民英勇地從事保衛祖國鬥爭的基礎上，於謙等能夠積極運用政府機構迅速集結了部分軍事力量，及時鼓勵士氣，親臨戰場，指揮軍事，因此使得保衛京師的戰爭，獲得勝利，把明朝從敗亡的嚴重危機中挽救了出來，並且保障了正在走身繁榮富強的北方生產事來，還有廣大人民的生命一樣的財產。
瓦剌軍在京郊受到打擊退回塞外後，於謙對於國防軍事的布置，並未稍懈。首先是加強保衛京師的力量，擁調遼東、宣府部分軍馬來到京師，並命大同總兵郭登隨時準備率所部到京師增援。京師稍見穩定後，於謙進一步加強邊關的防禦。對宣府、居庸關以及保定、河間、真定各處，增派大將鎮守。又派顧興祖、劉安等率兵修築北邊關塞重要的地方並增調軍隊作為防守。
景泰元年（1450年），在春夏兩季，瓦剌軍隊對明朝北邊連續發動了廣泛的攻勢，進攻寧夏、大同以後，又侵擾慶陽、朔州、陽和、萬作等地，但都吃了敗仗。另外，當時也先、脫脫不花和阿剌知院三方麵對明朝的態度也各不同，他們都想單獨先取得和明朝“通貢”和“互市”的經濟利益，因而相互猜忌。於謙就在這時先派使臣和脫脫不花交涉，獲得了初步協議。因此，也先拘留著祁鎮，原以為奇貨可居，這時反成為對明朝交涉上的絆腳石。終於被形勢所迫，不得不將明英宗送回。可以說正是由於明朝在實際戰爭中取得勝利，政治策略正確和軍備的充實，才能對瓦剌交涉上取得了全麵的主動權，終於收到勝利的結果。英宗回國後不久，也先派使臣前來，要求通貢，雙方又恢複了正常的互市關係。另一方麵，由於也先侵明失敗，以及虐待諸部，日益驕橫，引起各部族酋長互相猜忌和仇殺，也先攻殺脫脫不花汗，隨後阿剌知院又攻殺了也先。自從也先死了以後，瓦剌部屬分散了，勢力就慢慢衰落了。
明軍雖然從失敗轉到勝利，但從各方麵造成的戰爭創傷，是得要很長時間才能恢複的。在瓦剌進攻京師被擊退後，明朝論功行賞，升加於謙的官職稱少保總督軍務，仍掌兵部尚書事。於謙辭讓道：“四郊多壘，卿大夫之恥也，敢邀功賞哉！”固辭不允。於謙在祁鎮回京以後，首先向朝廷提出“上皇雖還，國恥未雪”的警告。他條諫各項安邊的策略，堅持執行，專力於國防的充實。一麵加強真定、保定、涿州、易州以及永平、宣府、大同、居庸關、山海關多處的防務，增加守軍人數，按時修繕城堡，並於1451年（景泰二年）遣都督僉事孫安率輕騎出龍門關收複獨石、馬營等八城，募民屯田，且耕且守，這樣就使宣府、懷來的防務，更趨鞏固；一麵對官軍的貪汙怠職等弊端，嚴加糾察，整肅了軍紀；另外還推薦平江侯陳豫鎮守臨清，增築新城，保護漕船運輸的要道棗運河；又對馬政、陣法、戰車、軍器、軍功製度多所改進。對於火器，又提倡創造，如采納巡關侍郎江潮的建議，製造“火傘”，燃放出去，可以驚潰敵軍馬隊。又采納應州人師翱的建議，製造了有機關的火銃，在最短的時間內可發三次，射程可達三米步以外。