正当于谦加强军队整顿、提升战备之际，瓦剌军却趁机大举进犯，企图长驱直入，攻占北京，甚至逼迫明朝南迁。时光回到正统十四年（1449年）十月初一日，也先和脱脱不花联手率领瓦剌大军，竟将朱祁镇软禁，偕同他一路北进至大同，虚伪地声称“奉上皇还”。然而，大同守将郭登早已察觉到敌军动向，严阵以待，他通过密报告知朝廷：“凭借天地的庇佑，国家依然有君！”也先洞悉郭登的准备，决定绕过大同，继续南下进攻。郭登随即向京师发出紧急战报。

到了初三日，瓦剌的前哨骑兵，已突破紫荆关北口，兵力达到二万，另一支瓦剌部队则通过古北口南下。初四日，瓦剌军三万人越过洪州堡，直攻居庸关，随即又转向白羊口（居庸关西南）。初八日，白羊口守将谢泽英勇作战，却不幸战死，白羊口最终被瓦剌军攻破。

接到郭登战报后，京师迅速进入戒备状态。初五日，朝廷发布诏令，命令各地诸王派遣兵马协助防守。初八日，朱祁钰下令让于谦统领各军营，所有将士归其节制，同时宣布赦免刘安与王通，释放后者协助守卫京师。文武百官紧急聚集，共商守战策略。成山侯王通提议在京师外城周围开挖壕沟筑防，石亨提议守城不出，闭城九门坚守。面对这种防守策略，于谦则坚定主张主动出击，迎战敌军，他直言：“敌人越来越猖獗，若示弱，只会让其更张狂。”他当即命令各大将领带领兵力，严阵以待，部署在京城九门之外，总兵石亨、副总兵范广与武兴，集中兵力于德胜门；都督陶瑾则负责安定门；广宁伯刘安、武进伯朱瑛分别驻守东直门与朝阳门；刘聚、顾兴祖分别驻守西直门与阜成门；李端与杨节则驻守正阳门和宣武门，所有军队都由石亨指挥。 于谦将兵部的日常事务交给侍郎吴宁负责，自己则亲自前往德胜门石亨军营，准备亲临战场。初九日，他下令所有身披盔甲的士兵必须按时出城，否则斩。各部队齐集后，随即关闭城门，昭示背水一战的决心，并严令：“若将领先撤，斩其将；若士兵先退，后队斩前队。”于谦则身先士卒，亲自披甲上阵，激励士气。他以自己的行动来诠释必死决心，感动了每一位士兵，大家勇气倍增，士气空前高涨，做好了迎击瓦剌军的准备。

十月九日，也先率军抵达紫荆关，继续加紧攻城。明朝投降的宦官喜宁引导瓦剌军绕过山间小道，成功包围了紫荆关，守备的都御史孙祥和都指挥韩清英勇作战，但不幸战死，最终紫荆关落入瓦剌军手中。瓦剌军从紫荆关和白羊口两路逼近北京城，十月十一日，他们已抵达北京城下，布阵于西直门外，将朱祁镇软禁在德胜门外的一座空房内。

当天，都督高礼和毛福寿联合发动反击，袭击瓦剌军于彰义门北，成功杀敌数百，救回被掳民众千余。瓦剌军见明军阵容严整，不敢轻易发动进攻。喜宁此时主动向也先建议，要求明朝派遣大臣迎接朱祁镇，以期借此议和，试探明朝虚实。明朝拒绝派遣高官迎接，反而派遣王复和赵荣带着羊酒赴瓦剌营，与朱祁镇对面。也先让朱祁镇带刀坐帐中，自己披甲执弓，警惕性十足，王复与赵荣进见，气氛紧张。也先并不接受羊酒，只看瓦剌的公文，而朱祁镇则接过汉文公文。这时，瓦剌军提出要求：“请将胡淡、于谦、王直、石享、杨善等人送来。”并索要大量金银财物。部分廷臣动摇，想通过议和解决问题，便派人向于谦询问。于谦严词回应：“今日只有军务，其他事务我不予理会。”

在于谦的坚决坚持下，瓦剌军的议和策略未能成功。十三日，于谦和石亨带领军队，在德胜门外迎战瓦剌军。瓦剌军进逼北京后，曾派侦察兵窥探明军阵势，于谦果断判断敌军或在此进攻，命令石亨事先埋伏兵力，利用少量骑兵引敌上钩，瓦剌军追击而至，随即遭到明军火炮和伏兵的夹击。明军副总兵范广英勇作战，最终在战斗中击败瓦剌军。瓦剌军的前锋，铁元帅孛罗卯那孩也在战斗中被击毙。瓦剌军暂时撤退，转向西直门发起攻击。都督孙镗带领部队迎战，双方激战正酣，明军凭借优势的火力和战术，在阵地上成功抵御敌军的进攻。

战斗持续进行，瓦剌军被打得节节败退，明军通过协同作战，逐步增强了各阵线的防御力量，瓦剌军的士气不断下降。最终，也先无奈撤兵，明朝守军随即追击，将瓦剌军逼退至塞外。