朝中前期，蒙古的瓦剌部兴起，其首领也先统一了蒙古各部。瓦剌部统治着西起阿尔泰山，东到辽河，北至贝加尔湖，南抵明边的广大地区。这个野心勃勃的蒙古汗王一心想再建一个大元。正统十四年(1449)，也先派2000人，诈称3000人到明王朝贡马，宦官王振嫌他以少冒多(因要按人头赏赐)，减其马价。
也先便以此为借口，于七月十一日入寇明境，主力攻入大同。明兵战守失利，不久，塞外城堡皆失，要塞大同多次告急。消息传到京城，王振主张英宗亲征。于谦和兵部尚书力言不可，但最终他们的意见未被采纳。十五日英宗下诏亲征，十六日就出发了。这是一次名副其实的仓促应战。
英宗亲征之时，于谦奉命留京以兵部左侍郎理部事。出征人马在路上，学士曹鼐与都御史等商议，要杀掉宦官王振，停止亲征，但没有成功。十九日至居庸关，兵部尚书请回銮，王振大怒，将其罚跪，同时下令大军急进。
二十三日至宣府，诸臣又请留，王振更怒，命一批大臣跪于帐外的草中。这样，弄得人人危惧，无人敢谏。八月一日至大同，王振还想北行，前线败报传来，加上宦官郭敬以前线多次战败而谎报取胜的实情报告，王振才有了还意。三日，留下总兵官刘安镇守大同，其余的人返回。
王振的老家在山西蔚州，他原想从紫荆关经蔚州，让英宗到他老家，以示炫耀，后他又怕大军所过，骚扰乡里，更怕正值夏季，践踏了那里的田禾，遂又命大军转而东行，这样，便又多耽误了几天时间。也先得知明帝亲征的消息，迅速率军追来。谍报报也先追兵在后，明军即派后队阻止，但屡战屡败，而王振又封锁军情，不让英宗知晓。
十四日明军至土木堡。尚未过午，离怀来只有20里，大军本可直驱入城，但王振辎重车辆未至，命停军等待。兵部尚书再请军急入关，遭王振痛骂。这时也先大兵奔驰攻来，四面合围。此地无水泉，掘井二丈不见水，其南15里有河，却早被也先派兵占据了。
相持一段时间后，双方经过谈判，也先答应明军可以取水。然而，也先趁明军移动就水，大营阵脚混乱时，以万余骑兵发起冲锋。明军队伍大乱，蒙旗大喊：“解甲投刃者不杀!”明朝军士毫无斗志，纷纷解甲投降。
然而也先部队并未停手，仍然狂杀滥砍，明军死者蔽塞川野，宦官及卫士被箭射得如刺猬一般。英宗与亲军突围不成，只得下马就地被俘。这就是“土木之变”。此战，明军死伤数十万，文武公、侯、尚书、侍郎、内阁学士等以下共百余人罹难。罪魁祸首王振也在这次事变中被杀。八月二十七日，噩耗传至北京。
代理监国的郕王朱祁钰闻知，与众臣抱头痛哭。正在君臣徨无计之时，于谦大喝道：“事已至此，哭又何用?还是暂缓悲痛，献计献策，救国救君才是正理。”众人止住悲声，郕王道：“此言有理，如今大敌当前，还望大家集思广益，群计献策。”
这时，翰林院侍讲徐有贞启奏道：“臣夜观天象，荧惑星侵入北斗，我朝气数将尽，势难挽回。依臣之策，只有迁都江南，方能免此亡国之祸。”此言一出，堂上立时人心浮动，君臣交头接耳，议论纷纷。年已78岁的礼部尚书胡滢颤巍巍地说道：“成祖(永乐帝朱棣)建陵北京，意即不愿子孙南迁。先祖之言，存者敢违否?”
于谦身为兵部左侍郎，深感自己责任重大。于是厉声道：“倡议南迁者当斩首!京师乃朝廷之根本，一动则大势去矣。殊不知宋朝南渡之祸?臣请立刻调动四方军队勤王，誓死守卫京师!”于谦的提议得到多数大臣的赞同，他当即被晋升为兵部尚书。心中无主的郕王和皇太后把守卫京师的重任全部交给了于谦。
土木之变示意图八月十九日，于谦奏请郕王，命调各地勤王军队火速入京，充任守卫。当时，通州官仓存粮数百万石，恐被敌军夺去。应天巡抚周忱建议，可令驻京臣僚军队各自运进城内。于谦立刻奏请郕王，宣布京城文武百官，可预支本年九月至明年五月的俸粮，军士各预支半年饷，各自到通州仓领取。
他又征用顺天府大车500辆，起运通州官粮进京，同时，号召百姓有车之家，能运粮20石纳京仓者，官府给脚银一两，特派都御史陈镒总管运粮事。此外，于谦还请命赏给新选余丁官军和旧操舍人及应募新兵每人银一两、布两匹，守城匠人、守门军火夫和皇城内外官军每人布两匹。于谦如此布置守城，人心暂时安定下来。
也先俘获明英宗，大喜过望，认为“奇货可居”，想利用这个“大人物”要挟明朝。也先先带英宗到宣府，传令开门，但守城官兵坚决不纳，也先知道不可动，遂退去。而后，他又挟持英宗到大同，守将郭登仍不纳。
也先说，给贿赂即放归英宗。但是在得到黄金两万并其他货物后，也先的话并没有兑现。他把英宗带到了塞外。九月初一，也先又借口送回英宗，索取金银布帛。为打破也先的要挟，从国家全局着想，于谦便拥护郕王即帝位，是为代宗，次年改元景泰，而遥尊英宗为太上皇。
正统十四年(1449)十月，也先急不可耐，再次以送回英宗为名，大举入侵。兵至大同，郭登不纳，派人对他说：我们国家已有皇帝了。也先无计可施，又知其有备，不敢攻城。郭登用蜡书急将情况报明廷，京师立即戒严。于谦奉命提督诸营，将士皆受其节制，都指挥以下不听命者，可先斩后奏。
面对来势汹汹的蒙古精骑，京师守城指挥石亨提出不出战，尽闭九门。于谦回答道：“不能在敌人面前示弱，退守城内不是办法，会使也先更加轻视我们，助长敌人的气焰。我们要在城外迎击敌人，挫败敌人的锐气。”
于是，他命兵部侍郎吴宁留守城内，自己身披盔甲，跨上战马，在城外指挥，督战九门。每到一地，于谦便向将士们慷慨陈词：“京师，乃朝廷根本。身为大明臣民，理应誓死保卫京师，保卫朝廷!我们一定要打败俘虏英宗的瓦剌军，活捉也先，洗刷奇耻大辱，为圣上报仇雪恨!”
一时军民振奋，群情激昂。于谦还下令：“士兵如有贪生怕死不出城者，一律处斩;战场上，将领不指挥军队杀敌而向后退却者，斩首示众。”
十月十一日，瓦剌军队兵压西直门。于谦一面命军队坚守，一面派副总兵高礼、毛福寿率部绕到瓦剌军后面杀敌。战鼓一响，人人奋勇冲杀。明军杀死瓦剌军数百名，军威大振。当晚，于谦又派薛斌率领勇士数百人偷袭敌营，打得正在酣睡的瓦剌军一片混乱，仓皇逃命。一连两个胜仗，大大鼓舞了明军的士气。
也先吃了败仗，改变策略，假意求和，表示愿意送还英宗。代宗信以为真，派两位官员出城迎接。得于谦手迹也先狡辩说：此两人官位太小，不够谈判资格，须派于谦、石亨带重礼来才行。于谦立即看出是计，对代宗道：“陛下绝不可轻信也先。只有彻底打败瓦剌，才是唯的一出路。”
两天之后，也先集中了1万多兵力攻打德胜门，企图孤注一掷。于谦先派石亨领兵埋伏在道旁民房内，另派小队骑兵做先锋，攻打瓦剌军阵，接战后假装败退。也先立刻下令命精骑万余，直追明军。待敌军接近城门，于谦令神机营火炮火铳齐发，同时，石亨的伏兵骤出，前后夹攻。也先军大乱，明军勇气倍增，个个奋勇杀敌。瓦剌军大败于城下，死伤不计其数。
见德胜门攻不下，也先又转攻西直门。都督孙镗率军迎战，两军展开肉搏。孙镗力破敌军前锋，瓦剌军稍向北退。孙镗追击，瓦剌军增援部队赶来，孙镗率军拼力血战，杀得难解难分。这时，高礼、毛福寿等率明兵从南面赶来助战，战斗更加激烈。
高礼身中流弹，孙唐兵死伤渐多，遂被瓦剌军围攻，敌人渐渐逼近城门。危急时刻，城上守将程信急发箭炮助战。这时，石亨领兵又从北面杀来，瓦剌军三面被围攻，难以支撑，遂向西南方向退去。北京保卫战第一次大会战，给了嚣张的也先部队迎头痛击。
十四日，瓦剌军又攻打彰仪门(北京外门，又称广安门)土城。于谦亲临指挥。他先派毛福寿在京城外西南一带街巷要道埋伏下神机火铳队，又派武兴、王敬率军迎敌。瓦剌多为骑兵，最怕火枪、火铳。于谦就派神机营在前，弓刀队在后，以火枪、火铳为掩护，弓刀队上前奋勇杀敌，两队配合默契，打得敌军无力抵挡，眼看就要溃逃而去。
于谦领导北京保卫战，大败也先。正在这时，代宗派来的一个监军为争首功，贸然领数百名骑兵驰马抢先，阵式被冲乱了。也先见明军阵容动摇，心中大喜，马上下令反攻。明军措手不及，一直退到土城附近。幸好王殇、毛福寿和高礼及时率兵来援，瓦剌军难以抵挡，又仓皇退走了。这是北京保卫战的第二次大胜利。
经过五天的激烈战斗，瓦剌军死伤严重，士气低落，处境十分狼狈。骄横的也先本来以为能轻而易举攻占北京，没想到，这次遇到的是兵部尚书于谦亲自指挥下的明朝军队。这支军队纪律严明，阵容整齐，士气高涨，与三个月前王振率领的松散的明军截然不同。
也先眼看士兵伤亡惨重，又听说各地明朝援军即将到京，不敢恋战，于十五日夜间，拔营逃跑。于谦立即命令石亨等领兵追击，又命城楼的火炮手对准敌营猛轰，瓦剌兵又死伤上万人，残军仓皇退却。
京师保卫战取得全面胜利后，二十二日，于谦派遣孙镗、范广等率兵两万，追剿瓦剌军残部。二十四日孙、范大军追击并打败敌军于固安。宣府守将杨洪率兵两万，击败瓦剌军于霸州，擒获敌军将官阿归等48人，夺回所掠人口、牲畜数以万计。到十一月八日，瓦剌军残部退出塞外，京师宣布解危。
