正统十四年八月，土木堡的败报传回北京，明英宗朱祁镇亲率的五十万明军几乎全军覆没，随行的文武重臣死伤殆尽，瓦剌首领也先裹挟着被俘的英宗，率领数万精锐骑兵直奔北京而来。此时京城之中仅剩不到十万老弱残兵，满朝文武人心惶惶，不少人主张迁都南京避祸，时任兵部侍郎的于谦厉声站出，以“言南迁者可斩也”的强硬态度，坚决固守京师的主张，被皇太后擢升为兵部尚书，正式接过了危局之中的防务重任。
于谦第一时间便完成了北京的防御体系重构。他奏请皇太后拥立英宗的弟弟朱祁钰即位为景泰帝，彻底打破也先“挟天子以令明朝”的图谋，同时紧急调集南北两京、河南、山东等地的备操军、运粮军火速入京，不到两个月时间，便集结起二十二万可战之兵；他下令清空北京九门之外的民居，将全部守军排布在九门之外列阵迎敌，自己亲自披甲登上德胜门，当众立下“有将兵不顾先退者斩其将，军不顾先退者后队斩前队”的严苛军法，把原本涣散的军心重新凝聚成死战的意志。
正统十四年十月，瓦剌大军挟持着明英宗抵达北京城下，也先原本以为明朝群龙无首，能轻易拿下这座都城，却发现北京九门之外全是严阵以待的明军精锐。他先以英宗的名义要求明朝君臣出城迎驾，试图用议和的名义骗开城门，被于谦以“社稷为重君为轻”的理由断然拒绝。瓦剌骑兵随即猛攻德胜门，于谦事先在民间空屋中埋伏下伏兵，派少量骑兵佯装诱敌，等瓦剌数千骑兵冲入街巷后，伏兵四起用火器猛烈轰击，也先的亲弟弟孛罗当场被炮火击毙，瓦剌大军遭遇迎头痛击。
随后的数天里，瓦剌军又先后转攻西直门、彰义门，都被早有准备的明军击退。北京周边的百姓也纷纷登上屋顶，用砖石投掷攻城的瓦剌士兵，配合明军作战。相持到十月中旬，瓦剌大军连续攻坚多日毫无进展，明朝各地的勤王军队还在源源不断向北京方向赶来，也先担心后路被切断，只能裹挟着明英宗连夜拔营北逃。于谦立刻下令明军开城追击，一直追到居庸关下，将瓦剌军队彻底赶出了塞外，北京保卫战以明军的全面胜利落下帷幕。
这场以少胜多的都城保卫战，彻底扭转了土木堡之变后的亡国危局。于谦以一介文臣的身份，在朝堂人心浮动、精锐尽失的绝境中，硬生生守住了大明的北方核心防线，避免了宋朝南渡的历史重演。经此一战，瓦剌的实力遭到重创，不久之后便将明英宗送还明朝，原本濒临崩塌的明王朝，也在于谦的主持下重新稳住了统治根基，延续了近两百年的国祚。