確實，“土木之變”後，於謙臨危受命，日夜操勞，不僅為朱祁鈺及朝中文武所依賴，而且對鼓舞京中軍民士氣起到了重要的作用。但於謙推薦了一批有才能的官員，彈劾了一些不稱職的大臣，自然遭到了這些人的嫉恨。當朱祁鈺命滿朝文武商議防禦對策之時，於謙又顯示出傑出的軍事才能。麵對強大的敵人，主將石亨主張盡閉九門，堅壁以避敵鋒。於謙堅決反對，他說：“敵人氣勢囂張，而我為何又先示弱，使其更加輕視於我？”主張明朝守軍全部到城外迎敵。這一對策得到了朱祁鈺及文武官員的支持。
根據這一對策，於謙分遣諸將列陣於九門之外，下令盡閉各城門，以示明軍誓與京城共存亡的抗戰決心。他把自己安排在北麵的德勝門外，和石亨一起，抵擋敵人的正麵進攻。布置已定，於謙傳令九門：“臨陣將不顧軍先退者，斬其將，軍不顧將先退者，後隊斬前隊。”於是，將士人人效命。於謙本人戴盔披甲，親臨戰陣巡視指揮，以自己的行動激勵將士勇敢作戰，保衛首都。
就在明朝守軍嚴陣以待之時，瓦剌大軍也進逼到北京城外。十月十一日，也先等人挾持英宗登上土城，叛敵宦官喜寧唆使也先令明朝大臣出迎聖駕。景泰帝朱祁鈺無奈，派王複、趙榮等人出城朝見，也先以這二人官小，要於謙、石亨、王直等大臣出麵，且索要金帛以萬萬計。景泰帝與一些大臣懾於也先等人的蠻橫，有心議和，但於謙堅決反對，誓與一戰。當瓦剌騎兵進攻德勝門時，於謙設伏兵，誘敵深入，然後出其不意，合圍痛擊，瓦剌軍傷亡慘重。其他各處明軍也取得了勝利。當瓦剌軍士回到土城一帶時，這一帶居民登上屋頂，以瓦片痛擊敵軍，明朝援軍又及時趕到，也先被迫後撤。也先本想擁來明英宗，逼明朝城下議和，撈取金銀財物，沒想到一個子兒也沒撈到，反而遭到慘敗。
與此同時，攻打居庸關的瓦剌軍隊也遭重挫，消息傳來，也先驚惶不已，又聽到明朝各地援軍也將趕到，便無心再戰，拔營起寨，撤圍北遁。明朝的北京保衛戰獲得了重大勝利，為了獎勵於謙、石亨等人，景泰帝特封石亨為武清侯，於謙加少保，總督軍務。
也先的失敗引發了瓦剌內部固有的矛盾。可汗脫脫不花不滿也先的專權，遣使與明朝通好，景泰帝依從大臣之議，厚加賞賜以圖離間。也先雖有此敗，實力並無大耗，在喜寧的攛掇之下，又向明朝邊境發動攻擊。沒想到在大同，守將郭登出奇計，以八百騎大破瓦剌軍，以功封定襄侯。身在敵營的英宗也十分痛恨喜寧誘敵寇邊，設計使其至北京索要財物，密信示邊臣擒之，結果，喜寧被誅。從此也先因不明各地軍情，不敢輕舉妄動。脫脫不花等人與明朝通好後，先後撤回了所部兵馬，也先在頻頻受挫之後，也無心再戰，於是開始以歸還英宗為條件，與明廷進行和談。至此，應該說，於謙領導的北京保衛戰取得了決定性的勝利。
也先聲言要送英宗回朝，明朝的主和派因此又吵嚷著要與瓦剌議和，甚至許多主戰派官員也認為必須迎回英宗，傾向於妥協。於謙識破也先的陰謀，他力排眾議，指出這是敵人企圖借此向我索取財物的伎倆，並說：“社稷為重，君為輕。”他派人申誡各邊鎮將帥，萬勿中敵人的奸計，要做好防禦工作，並選派將領，鎮守邊防重地。他號令嚴肅，賞罰分明，因而，片紙行萬裏，將士無不惴惴效力。在於謙的整頓和指揮下，邊防力量大大增強，各邊鎮的將帥也都主張抗戰，也先在景泰元年（1450）的幾次侵擾都受到嚴厲打擊，陰謀未能得逞。