正统十四年（1449年）十月初一，瓦剌军挟持被俘的明朝英宗皇帝大举南下。一路经宣府进攻居庸关，从京师正面吸引明军。也先亲率主力3万人经大同进攻紫荆关，迂回京师。

十月九日，在投降的明太监喜宁的帮助下，也先攻占紫荆关，挟持英宗经易州、良乡、卢沟桥，于十月十一日进抵北京城郊。面对强敌，石亨提出了收兵入城，禁闭9门，依托城池进行固守的建议。于谦认为，瓦剌势盛，如果示弱，会使敌人更加猖狂。他主张，采用背城决战的方略，将22万大军列阵京城9门之外，并以重兵伏设于德胜门，形成了一个依城为营，以战为守，分调援军，内外夹击的作战部署，准备与瓦剌军于北京城下一决死战。

十月十一日，瓦剌军逼近北京。也先将军队布置在西直门以西。于谦派兵迎击瓦剌军于彰义门，打败也先部队先锋，夺回被俘者一千多人。同时于谦又派人率兵夜袭，以疲惫敌军。

十月十二日，也先将主力列阵西直门外后，挟持英宗皇帝到德胜门外的土城，要求朝廷派于谦、石亨等高级将领亲自出迎，并索求金帛数以万万计，企图以此将明军主将擒获，迫使明朝献城。于谦识破了敌人的阴谋，一方面派出官员朝见英宗，一方面提出“社稷为重，君为轻”的主张，统一官兵思想，严阵以待，粉碎了也先的诱骗阴谋。在兵力部署上，于谦审时度势，灵活用兵；在战役主要方向上，隐蔽主力，待机歼敌；在次要方向上，避敌主力，采取小股袭扰，处处出击的策略，迷惑敌军，给瓦剌军造成错觉。当夜，两路明军主动出击，斩杀瓦剌军数百，乘胜而归，使军威大振。

十月十三日，瓦剌军乘风雨大作，集中全力进攻德胜门。于谦命大将石亨在城外民房内埋伏好军队，然后派遣少数骑兵佯装战败以引诱敌人。也先果然中计，亲率精骑万人穷追不舍。等也先军进入埋伏圈后，于谦一声令下，明军开始反击。只见神机营火器齐发，火箭弓弩多如飞蝗般地射向敌军，明军前后夹击，也先部队大败而归。也先的弟弟孛罗、平章卯那孩等将中炮身死，瓦剌军受到很大打击。也先发觉明军主力在德胜门，便集中力量转攻西直门。都督孙镗率军迎战，打败也先的先头部队。由于也先不断增兵围攻孙镗，孙镗力战不支，退至城下，此时，把守城头的给事中程信，严令不准开城。同时，命城上守军发神炮，火箭轰击瓦剌军，明军又从彰义门、德胜门抽兵增援，终于打退了瓦剌军的进攻。

十月十四日，瓦剌军又改为进攻彰义门。于谦命守军将城外的街巷堵塞，在重要的地带埋伏好神铳手、短枪手，又派兵在彰义门外迎战。明军前队用火器轰击敌军，后队由弓弩压阵跟入，击退了瓦剌军的进攻。而此时，景帝所派监军太监，率数百骑兵冲击敌阵去抢功，使明军阵势陷入混乱。瓦剌军乘势反击，追到德胜门外。在万分危急关头，当地居民纷纷登上房顶，以砖石迎战瓦剌军。于谦派出的援军也及时赶到，打退了瓦剌军的反扑。

在北京保卫战期间，身为京师三大营的神机营起到重要作用。公元1449年十月北京德胜门外民居中隐藏着上千名神机营士兵，他们静静的等待着敌军的到来，当数千瓦刺骑兵到达了民居前，瓦刺军队将领并没有多想便发动了攻击，他们觉得这短短的距离不过是一个冲锋就可以解决的，当他们进入包围圈后，随着明军将领一声令下数千火器发出愤怒的火焰，火箭多如飞蝗般地射入敌军，瓦刺军顿时被打蒙，一轮又轮的火器打击让瓦刺骑兵损失惨重，丢下几千具尸体悻悻而去。

也先在进攻北京的过程中，到处遭到军民的抵抗和不断袭击。各地的百姓自动组织起来，抗击瓦剌军的掠夺。北方边陲重镇的守兵，也抱着与城共存亡的决心，誓死保卫国土。也先进攻北京各门屡次遭到失败，中路军在居庸关的进攻也受挫，并获悉明朝各路援军即将到达。唯恐后路被切断，便于十五日夜率一部人马，挟持英宗朱祁镇由良乡（今北京市房山东北）向紫荆关撤退。

于谦发现也先军队正在撤退，即命令石亨等集中火炮轰击也先军营，炸死瓦剌军一万余人。瓦剌军在撤退的路上，一路烧杀抢掠，掠夺了许多物资和人口。而明军分路追击；石亨大破瓦剌军于清风店（今河北易县西）；范广在固安打败瓦剌军。也先一路狂逃，十月十七日，撤出紫荆关，不久退往关外。东路的脱脱不花军，闻得中路、西路已败，亦立即撤退，并于十月二十日单独遣使进贡，来北京议和。至此，明军取得了保卫北京的胜利。

也先率军退至塞外，数次南下，都因明军防范严密而未得逞。鉴于政治诱降落空，军事进攻又遭失败。在长期的战争中，损失了大量的人力和物力，又失去了与明朝经商的机会。万般无奈之下，于景泰元年（1450年）八月无条件地释放了明英宗，恢复与明朝的臣属关系。这在中国历史上，汉族君主被外族掠去，又无条件释放回国的还是第一次。其后，在蒙古族内部的相王争斗中，也先的势力一落千丈，日渐衰竭。

景泰八年（1457年），被于谦重用的石亨等人，趁明代宗病重，未立太子之机，发动“夺门之变”，迎接被瓦剌放回的英宗复辟，废代宗皇帝为郕王，将于谦等朝廷栋梁之臣逮捕下狱，并杀害，酿成“天下奇冤”。当时，不仅“阴霾翳天，京郊妇孺，无不洒泣”，皇太后闻讯，也“嗟悼数日”，“英宗亦悔之”。不久，瓦剌军又大举攻明，明廷“人人忧色”。1466年，于谦沉冤得到昭雪，后被谥为“忠肃”。

北京保卫战的胜利，不仅加强了京师部队的战斗力，组成了一支战斗力较强的机动兵力，使瓦剌军不敢窥视京师；而且还促进了边防建设，收复了许多要塞和重镇，使明王朝的统治得到了进一步的加强。

然而北京保卫战也留下了后遗症。被瓦剌放回的英宗在宦官和佞臣的拥戴下发动夺门之变、于景泰八年（1457年）正月重登帝位，废景帝为郕王。而当年拥立明代宗并力主抗敌的于谦却在石亨、徐有贞等卑劣政客的诬蔑下被英宗杀害。

于谦的被害令天下人扼腕叹息。

北京保卫战的胜利，首先是由于以于谦为首的一部分文武大臣坚决抗战，他们诛杀宦党，稳定局面，激发了广大军民抗击瓦剌军的勇气。同时，注意发现和使用人才；其次是以于谦为首的主战派，在情况万分危急时，能够抓住问题的关键，即时拥立新君，使也先以为奇货可居的政治王牌英宗失去了其实际的意义，从而使抗敌军民能够放开手脚，一心保城杀敌。再加上于谦能够知己知彼，冷静地分析敌我双方长处和短处。瓦剌军队擅长骑射和野外作战，但是存在着兵力有限，不善于攻坚，并且火器很少等弱点。而明军在于谦的带领下，士气高涨，以城池为依靠，以战代守，充分发挥自己火器多，装备精良的优势，在与敌对阵中，先以少数兵力引诱敌军，待敌迫近时，再突然以火铳、火炮火箭等进攻。等敌人阵势被火器打乱之时，用步兵、骑兵发起猛烈反击。这就较充分地发挥了己之所长，削弱了瓦剌军队的优势，从而使明军能够迅速地变被动为主动，仅在五天时间内便迅速地击败敌军，取得了北京保卫战的胜利。

此战，明军面对危局，迅速备战，军民互相配合，依托坚固城防，积极歼敌于城外，取得了京师保卫战的重大胜利。