公元1449年七月，也先大举进犯，王振怂恿明英宗亲征，于谦和兵部尚书邝埜极力劝谏，但明英宗不听。
邝埜跟随明英宗管理军队，留于谦主持兵部的工作，待到英宗在土木堡被俘，京师大为震惊，大家都不知道该怎么办。
此时郕王监国，命令群臣讨论作战和防守的方略，侍讲徐有贞说星象有变化，应当迁都南京，于谦厉声说：
“提议南迁的人应当斩首！京师是天下根本，只要一动便大事去矣，难道不见宋朝南渡的故事吗？”
于谦力主抗战，得到吏部尚书王直、内阁学士陈循等爱国官员的支持，郕王肯定了他的说法，防守的决策就这样定下来了。
当时京师最有战斗力的部队、精锐的骑兵都已在土木堡失陷，剩下疲惫的士卒不到十万，人心惶惶，朝廷上下都没有坚定的信心。
于谦请郕王调南北两京、河南的备操军，山东和南京沿海的备倭军，江北和北京所属各府的运粮军，立即奔赴顺天府，依次经营筹画部署，人心遂稍稍安定。
随后，于谦升任兵部尚书，全权负责筹划京师防御，郕王刚刚摄政朝议时，右都御史陈镒上奏请求诛杀王振全族，廷臣一时纷纷响应。
朱祁钰无法做决定，于是下令择时改议，廷臣则抗议不依，此时王振党羽、锦衣卫都指挥使马顺站出叱斥百官。
户科给事中王竑突然带头在朝廷上猛击马顺，众臣纷纷跟随，马顺当即毙命，一时血溅朝堂，而士卒亦声汹欲诛。
郕王朱祁钰看后大惧，欲起身离去，于谦挤到郕王身前，扶臂劝导道：
“马顺等人罪该诛死，打死勿论！”
众人听后方止，而此时于谦的袍袖已经裂开，在他退出左掖门时，吏部尚书王直握着于谦的手叹道：
“国家正是倚仗您的时候，今天这样的情况，即使是一百个王直也处理不了啊！”
在那时，朝廷上下都倚重于谦，而于谦亦毅然以社稷安危为己任。
当初，大臣担忧国家没有君主，太子年幼，敌寇将至，请皇太后立郕王为皇帝，郕王再三推辞，于谦大声说：
“我们完全是为国家考虑，不是为个人打算。”
郕王于是受命，九月，郕王即帝位为代宗，于谦进去回答问话，情绪激昂地哭着说：
“敌寇得意，要挟持扣留太上皇，这样形势下他们必然轻视中国，长驱南下，请命令各边境的守臣竭力防守遏制。
京营士兵的器械快要用完了，需要马上分道招募民兵，令工部制造器械盔甲。
派遣都督孙镗、卫颖、张辄、张仪、雷通分兵据守九门重要的地方，军队驻扎在外城的外面。
都御史杨善，给事中王竑亦参与这些事，迁徙外城附近的居民进入城内。
储存在通州的粮食，令官军自己去支领，用装足的米作为代价，不把粮食留给敌人。
文臣像轩倪这样的人，应该用为巡抚，武臣像石亨、杨洪、柳博这样的，应该用为将帅，至于军队里面的事情，我自己承担，没有成效就判我的罪。”
对他的意见，明代宗全都认真地接纳了，十月，敕令于谦提督各营军马，而也先挟持着英宗攻破紫荆关直入，进窥京师。
石亨建议收兵固守使敌兵劳累衰竭，于谦不同意，说：
“为什么向敌人示弱，使敌人更加轻视我。”
马上分别调遣诸将带领二十二万兵士，在九门外摆开阵势：
都督陶瑾在安定门，广宁伯刘安东直门，武进伯朱瑛朝阳门，都督刘聚西直门，镇远侯顾兴祖阜成门，都指挥李端正阳门，都督刘得新崇文门，都指挥汤芦宣城门，而于谦自己和石亨率领副总兵范广、武兴在德胜门外列阵，抵挡也先。
把兵部的事交给了侍郎吴宁，把各城门全部关闭，自己亲自督战并下令：
临阵将领不顾部队先行退却的，斩将领，军士不顾将领先退却的，后队斩前队。
于是将士知道必定要死战，都听命令，副总兵高礼、毛福寿在彰义门北面抵挡敌人，俘虏了一个头目。
明代宗高兴，令于谦选精兵聚集在教场，以便调动，再命太监兴安、李永昌同于谦一起管理军务。
当初，也先部队深入，以为早晚就可以攻下京城，及至见到明朝官军严阵以待，有些丧气。
叛变了的宦官喜宁教唆也先邀明朝大臣迎接上皇，索取黄金和丝织品以万万计，又邀于谦及王直、胡濙等出城谈判。
明代宗不准许，也先更加沮丧，庚申，也先部队窥伺德胜门，于谦令石亨率神机营在空屋里设下埋伏，派几个骑兵引诱敌人。
敌人用一万骑兵逼近，副总兵范广发射火药武器，伏兵一齐起来迎击。
也先的弟弟孛罗，平彰卯那孩被炮打死，也先部队转移到西直门，都督孙镗抵御他，石亨亦分了部分兵力来到，敌寇撤退。
副总兵武兴在彰义门攻打敌军，和都督王敬一起挫败了也先的前锋。
敌军正要退却，而几百个骑着马的宦官想争功，冲马争着向前，阵脚乱了，武兴被乱发的箭射死。
寇兵赶到土城，居民爬上屋顶，呼喊着用砖石投掷敌人，喧声震天，王竑和福寿的援兵赶到，敌军于是撤退。
相持了五天，也先邀谈不成，作战又失利，知道不可能达到目的，又听说各地勤王的部队马上要开到，恐怕截断了他的归路，于是拥着英宗由良乡向西去。
于谦调各将领追击，到居庸关才回来，评功加于谦少保、总督军务，于谦说：
“四郊多保垒，是卿大夫的耻辱，怎么敢求取赏赐功劳呢！”
坚决推辞，明代宗不准，于是增兵守真定、保定、涿州、易州等府州，请求用大臣镇守山西，防止敌寇南侵。
公元1450年三月，总兵朱谦奏称敌兵三万围攻万全，敕令范广担任总兵官抵御敌军。
不久敌寇退，于谦请求即驻兵居庸关，敌寇来则出关剿杀，敌寇退则回京师驻守，大同参将许贵奏北面有三个人到镇上，想朝廷派使者讲和。