面对着英宗被俘，也先大军压境的紧张局势，成王命群臣议战守。侍讲徐有贞大声说：“察看星象、历数，天命已定，只有南迁可以解难。”礼部尚书胡荧反对说：“永乐帝定陵寝于此，示子孙不拔之计也。”于谦当时还是兵部侍郎，厉声说：“宋朝南渡的教训，前车可鉴，请速召勤王兵马，誓死以守。”于谦的意见得到绝大多数文武百官赞同，坚决抗敌的主张遂定。
九月初六，成王即帝位，这就是景帝。作为兵部尚书的于谦，知道京师疲卒劣马不满十万，军资器械，十不存一。他觐见皇帝，流着眼泪提出，敌骑将长驱深入，而近来各营精锐，尽遣随征。当今之计，应急速派官招募官舍余丁义勇，起集附近民夫，更替沿河漕运官军，让这些军队全部隶于神机等营，操练听用；令工部备足物料，内外局厂日夜赶制攻战器具；征南京及河南备操军、山东及陆畿沿海备倭军、江北及北京诸府运粮军急赴京守备。
于谦一方面征集兵马、打造兵器，一方面加紧部署保卫北京的战备工作。他以都督孙镗等领兵出城守护京师九门，列营操练，以振军威。再选将分别出巡，不使敌人有机可乘。又把城外居民迁于城内，随地安插，以免被敌人掠去。当打算焚通州坝上仓粮，以绝寇资时，于谦听了应天巡抚周忱的建议，改为令在官者取之作为月粮，一举两得，诸厂所有饲草，亦听军队取之，余则焚之，毋以饱虏马。
“土木之变”，也先俘获明英宗，大喜过望，认为这是一块大肥肉，利用它可以要挟明朝。也先带英宗到宣府，传令开门，守城官兵坚决不纳，也先知道不可动，才退去。又挟持到大同，守将郭登仍不纳。
也先说，给财货即放归英宗。但当大同拿去黄金二万并其他货物后，也先却食言。也先把英宗带到塞外。九月初一，又借口送回英宗，索取黄金百两、白银二百两、彩帛二百匹。于谦为打破也先的要挟，从国家全局着想，便拥护成王即帝位，而遥尊英宗为太上皇。十月，也先急不可耐，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，又知有防，不敢强攻。郭登用蜡书把情况报上明廷，京师即刻戒严。于谦奉命提督诸营，将士皆受节制，都指挥以下不听命者，先斩后奏。面对来势汹汹的蒙古精骑，京师守城指挥石亨认为不应出城迎敌，尽闭九门。于谦反对说：“敌人如此嚣张，我们示弱，是助长了他们的气焰，使他们更加嚣张！”于是把现有的22万兵列阵九门外，自己身先士卒，身披甲胄（zhòu），与石亨等列阵于德胜门，其余将领，各列阵于安定、东直、朝阳、西直、阜城、正阳、崇文，宣武等门都受节制。
各城门全部关闭，以置之死地坚定士卒的决心。于谦下令：临阵，将领不顾军先后退的，斩其将领；军不顾将领先退的，后队斩前队。将士这时都知道这是置诸死地而后生的策略，所以人人誓死保卫北京。
也先领兵自大同至阳和，进陷白羊口，两天之内再陷紫荆关。十月十一日也先兵迫都城，列阵西直门外，置英宗于德胜门外。当天，明军在彰义门北打败了入侵之敌。也先仍想利用英宗，强使明朝议和，并指名要起决定作用的于谦等大臣出面。于谦的回答是：“今日只知道有军旅，不知道其他！”也先见迫和不成，便加紧在京城周围抢掠。在攻城上，22万明军严阵以待严阵以待：摆好严密的阵势，等待来犯的敌人。，也先不敢轻举妄动。在德胜门，也先用骑试探，于谦设伏诱敌，待敌人万骑来攻，伏兵齐发，打得敌人大败；转攻西直门，都督孙镗俘敌前锋数人，但敌人进一步包围，他险些不支，得到给事中程信从西城上发箭炮相助，石亨也分兵来战，局势才为之一变，敌人后退；至彰义门，副总兵武兴奋起还击，但武兴也中流矢死；至土城，居民登到房顶上呼号，用砖瓦块争相击敌，声动天地，加上都督毛福寿、高礼率援兵至，敌人败走。原先，也先以为北京城垂手可得，至此他的幻想才化为泡影。相持五天，迫和不成，攻战不利，蒙军另一路人马攻居庸关也战败。也先只得带着英宗狼狈撤军。于谦探知英宗已移远处，令石亨夜里举火，发大炮攻敌营，击毙万余骑。敌人自良乡而西，所过州县，大肆焚掠。
于谦又命杨洪部以所部二万兵追击残余的敌人。至此京城危险形势得以缓解，于谦在保卫北京的战斗中立下了汗马功劳。有人赞扬他的功劳，他却谦虚地说：“四郊埋了那么多的死者，仅得不结城下之盟，有什么功可言。”
皇位之争殃及忠臣于谦为巩固已有成果，进一步御敌于国门之外，求得国家的长治久安，在保卫北京之战以后，又做了许多工作。如坚持派得力战将罗通、杨洪等驻守居庸、宣府等要害之地。在大同、宣府、山西及昌平、临清等镇，都重新军事部署，景泰元年三月，因为畿（jī）辅诸州县兵力单弱，奏遣都指挥陈旺、石端、王信等分屯涿鹿、真定、保定、易州等地方，全部由杨俊统帅，这些地方后来都成了拱卫京师的重镇。明成祖以来的五军营、三千营和神机营，即所谓京师三大营，此时此地就形势要求已不能适应，于谦把他们改成团营，从其中选马步骁悍者15万，分为10营，每营各以都督率领。五千人为一小营，以都指挥率领，团操以备警急。原来在近畿安置的许多“俘虏”，有些与也先里应外合，于谦建议朝廷派他们往西南地区，这样一来就消除了隐患。
景泰元年（1450）正月，也先因英宗捞不到好处，加上蒙古族内部这时发生内讧，想与明朝缓和关系，因此来信要求明廷派大臣迎接英宗还朝。廷议提出派遣使臣北上，景帝说必须找个认识太上皇的人去。群臣知道景帝对此事并不积极，这件事就拖下来了。大同参将许贵急着与也先议和，于谦驳斥说：“不是我们不和，而是敌寇无诚意，何况也先是不共戴天之仇，根本不可和。贵为介胄之臣，而急于和成显示怯懦，依法当诛。”于谦是景帝最为器重的，他这么一说，边将人人坚持战守。七月，也先又派五人代表团到京师请和，吏部尚书王直等提出可与也先议和，把太上皇迎归回来，以免再起战端。景帝很不愿听，说：“我并非贪大位，是你们树立的，现在又这样议论，到底为什么？”无人能答对。于谦这时从容不迫地说：“大位已定，谁敢胡说？对来使的求和，作为缓兵之计，战备不能放松。”景帝稍释虑说：“听你的，听你的。”经过一番争议，明廷才以礼部右侍郎李实为正使，大理寺少卿罗绮为副使，与来使同往。李实等走后，蒙古瓦剌部的脱脱不花可汗也派人来请和，明朝又遣右都御史杨善等前往。
一年以后，明英宗随杨善由也先营地回到了北京，安置于南宫居住。就迎接英宗回归这件事，于谦实际上是起了很大作用。
英宗回来以后，明朝一时出现了两个皇帝，朝廷上不能不产生混乱。礼部尚书等提出，景泰二年正月初一让百官朝太上皇，景帝不许。这种尴尬的局面，使于谦受到强大压力。他拥戴景帝，但景帝废英宗之子，立自己的儿子为皇太子，这使于谦感到突然。景帝之子立为皇太子一年半便死去，此后再也无子。于谦提出立英宗之子为皇太子，此人就是后来的宪宗，但是景帝不愿。景帝认为自己春秋鼎盛，今后不愁无子，一拖再拖。石亨等人认为与其立英宗之子，不如直接请太上皇复位，可以从中邀取功赏。石亨原是于谦从狱中将其放出，并在以后提升其为大将。但由于在推荐于谦儿子任官等问题上受了于谦斥责，从此怀恨在心，至此，一场以石亨为首拥立英宗复辟的政变便在暗中开始行动了。
景泰八年刚到正月，景帝便一病不起，这一天他召石亨到病榻前，嘱其代行郊祀事。石亨见皇帝病情严重，预料将有事情发生，出来后立即与都督张轨、太监曹吉祥商议迎接英宗复辟。他们一起去找太常卿许彬。许彬以年老推辞，但建议与徐有贞商量。徐有贞由于主张南迁被于谦指斥后声誉扫地，对于谦一直心怀不满。正月十四日，这些人在徐有贞家聚会。徐有贞煽（shān）动说：“太上皇帝出征，为的是国家。何况天下尚未离心，现在的皇帝置之不理，纷纷另求他人继大位，实在令人莫解。如公等所说，南宫亦知道了吗？”石亨等说：“一天前已经秘密报告了。”又说：“必须得到来自太上皇方面的赞同。”十六日晚这班人再次聚会，徐有贞当场提出：
“事在今夜，不可失。”正在此时，得报边境有警，徐有贞说：“一定要利用这个机会，派兵进入皇宫。”石亨、张轨表示赞同。尽管如此，徐有贞还是心怀恐惧，与家人告别说：“事成，社稷之利；不成，门户之祸。归，人；不归，为鬼。”接着，与石亨等约会赞同政变的数员文武大官并太监曹吉祥等，收各门钥匙。
天亮之前，打开长安门，放进一千多士兵。宫内卫士当时看到士兵进来不知所措，后听石亨是加强宫中守卫，也就没留意，进去之后，徐有贞又把门锁上，隔绝宫内外的往来，以免遭到内外夹攻。此时，石亨等也还是怕政变破产。徐有贞对他壮胆说，“事已至此，切勿退缩。”他领这帮人去南宫，但幽禁英宗的南宫的钥匙在景帝处，碰了个闭门羹，叩之又不应。这时又听远远传来开门声，情势更加紧张。徐有贞感到事机紧迫不宜迟，成败在此一举，于是下令把大木悬起来，用数十人举着撞门，又命令勇士逾墙而入，里外联合，终于把宫门打开。石亨等人见英宗，徐有贞仅说了一句“请陛下登位”。即亲自动手连推带拉，让英宗登辇就走。月光之下，英宗问了他们的姓名。进皇宫后，大家把英宗推上了奉天殿。这班人又把御座从殿隅（yú）推到中央，并命马上站班朝贺。英宗再次成为皇帝。
十七日清晨，百官照常入宫等候皇帝早朝，一进去，就听到南城及殿上的呼号声。众官正在疑惑，这时徐有贞出来向他们宣布：“太上皇复辟了！”并命他们马上站班朝贺，百官不胜惊骇，但也无可奈何，只得就班祝贺。这时病中的景帝听到钟鼓声，非常惊讶，问左右：“于谦在哪儿？”当知道英宗已复位，连声说：“好，好。”
第二天，复辟的人首先下令逮捕于谦以及拥护景帝的重要臣僚。政变的主谋徐有贞，从副都御史一跃以本官兼翰林院学士值内阁，主管机务，后又晋兵部尚书。徐有贞得势以后，第一步就打算杀死于谦。原先议立英宗太子时，大学士王文曾主张迎立襄王世子。这时，徐有贞就指使言官弹劾王文立藩之的意见，并且捎带诬蔑于谦。经过一番核查，没有什么证据。徐有贞仍不放过说：“虽无显迹，也有那种意思。”王文忿怒非常，据理辩论。于谦冷笑说：
“辩什么？无用。他们是不管事实有无，必定让我死！”但英宗对处死于谦一直犹疑，他对复辟的众臣说：“于谦过去有过功劳。”徐有贞上前恶狠狠地说：
“不杀于谦，今日的这场政变怎能够说是师出有名？”英宗下定决心，把于谦及王文等皆斩于东市，妻子戍边。
于谦拥立景帝，根据当时形势定国安民，抵御了异族入侵，这不但没有错，而且是非常正确的，是有功的。他为官清廉，死后仅留下书籍而已。于谦成为英宗复辟这场政变的牺牲品，这是一场冤案。事后西北有警，有人就说：“如果于谦在，何至于此。”
宪宗时，为于谦恢复了名誉。万历时，谥忠肃。