土木堡兵败的第二天，一匹快马仓皇入宫，报信人把土木堡全线崩溃、英宗被俘的消息告诉了皇太后和朱祁钰，一时间宫廷内一片混乱。当晚，消息不胫而走，北京城里人心惶惶。
为了安定人心，皇太后宣布由朱祁钰监国（代理皇帝的职权），召集大臣，商讨对策。大臣们意见不同，侍讲徐珵（chéng）说：“天命就是这样，只有逃到南方去才能免祸。”兵部侍郎于谦厉声说：“主张南迁的，就应该杀头。京都是国家的根本，怎么能随意迁移呢？大家难道忘了南宋的教训吗？现在的办法就是赶快调集军队，安定民心，准备战守。”于谦的主张得到许多大臣的支持，皇太后决定让于谦负责守卫北京。为安定人心，于谦等主战派请太后正式宣布朱祁钰做皇帝，英宗改称太上皇。之后，朱祁钰称帝，即明代宗，又称景泰帝。
于谦在危难之中接受了守城的重任。他一边命令各边关镇守将领加强防备，调兵遣将，加强京城及附近的兵力，一边从速修缮（shàn）器具，整顿内部，逮捕了一批瓦剌军的奸细。
各地入京护卫的军队陆续到达，但土木堡的惨败，使将土们十分畏惧瓦剌军。于谦认为瓦剌军气焰嚣张，只有打败他们才能保证国家的安定。针对将士们的怯懦，于谦下了一道严令：临阵打仗时，将军不顾士兵先退缩的，斩；士兵不顾将军先退缩的，斩。将士们被于谦果敢坚决的精神感动了，土气奋发昂扬，都下定决心誓死保卫北京。
于谦宣布将领们分别带兵出城，在京城九门之外列阵，他亲自率石亨等人驻守在德胜门外，面对着敌人到来的方向。
也先的大本营设在北郊土城。为了探知明军的兵力部署，他派出了探马。于谦将计就计，用少量游骑迷惑敌人，也先上当，以为明军兵力有限，命令一万多人马发起进攻。当瓦剌军进入埋伏圈后，明军一跃而起，大力冲杀，也先军溃不成军，忙撤回土城。明军紧追不舍，城外的百姓也配合明军，爬上屋顶，向敌人投掷砖瓦，瓦刺军死伤惨重。
也先攻北京损失惨重，知道明军已有准备，如果不速战速决，退路可能被明军截断，就有自身难保的危险。也先想不出什么好办法，只能带着明英宗和残兵败将撤退。于谦探知也先撤退，连夜命令石亨用大炮轰击敌人营垒，杀死敌人数万。也先逃走，北京的威胁也就解除了。
为了进一步加强北京的防守，于谦采取了有力的措施。他除了巩固北边防务外，还在西面和南面设镇屯兵。他又改革军制，设立团营，自己兼任总督，命令将土们每天操练，大大地提高了军队的作战能力。
于谦立了大功，保住了北京城，受到北京军民的拥护和爱戴，明代宗也十分敬重他。于谦两袖清风，十分廉洁，住的房子非常简陋，明代宗要为他建一座府第，于谦推辞说：“国家现在正是危难的时候，我怎么能贪图享受呢？”
于谦临危不惧，运筹帷幄，指挥若定，挽救了明朝廷的危难，他力挽狂澜，起到了中流砥（中）柱的作用。此后，也先又进攻过大同，包围过代州，但再也未能长驱直入。北京城在以后的七八十年内再也没有受到敌人的践踏。