朱祁钰登上帝位后，更是全力倚任兵部尚书于谦。本来，自仁宗朝开始，内阁在决策中就发挥主导作用，英宗初年，杨士奇、杨荣、杨博辅政，位高权重。王振势力崛起，逐步侵夺阁权，三扬陆续辞世后，曹鼐、马愉等人入阁，资浅望轻，发挥不了决策作用。土木之变中，曹鼐等死于乱军中，内阁几成空白。在六部首脑中，向以吏部尚书最尊，称为六卿之首。但此时任吏部尚书的王直年已老迈，又赞赏于谦才干，遂极力推许，于谦成为决策群体的核心。朱祁钰倚信于谦，也是势之必然。有些人嫉妒于谦，攻击说：“帝位于谦太过。”太监兴安辩护说：“为国分忧如于公者，宁有二人!”在朱祁钰和于谦主持下，君臣上下同心，共定拒敌大计。
为了加强京城防守，于谦已于八月二十五日推荐都督石亨总夜营兵。石亨人品不好，但较有军事才能。朱祁钰即位的次日，于谦又荐举辽东都指挥范广为副总兵，协助石亨佐理京营。九月二十二日，管三千营的忻城伯赵荣因“不赴营操练，以致军容不整，纪律全无，士卒喧哗，行伍错乱”，受到于谦弹劾，朱祁钰命将其下法司禁锢，以都督金事孙镗代领其职。经过一番人事调整，京营军纪颇有改观，战斗力有所增强。
宣府、大同是京师的屏障，防务必须加强。“土木之变”猝然发生，宣府人心惊慌，有人建议弃城而去，官吏军民纷然争出，镇守总兵官杨洪和巡抚罗亨信等下令“出城者斩”，率军民全力防守，保住孤城。事后，于谦建议朝廷封杨洪为伯爵，仍让他全权负责宣府防务，并奖谕了罗亨信。大同战略地位尤为重要，在“土木之变”后的危急局面下，都督金事郭登誓死坚守，力保危城，而镇守大同总兵官、广宁伯刘安却不顾军务，于九月初五擅回京师，并说英宗已升他为侯。刘安受到廷臣弹劲，下狱禁锢，于谦举荐郭登佩征西将军印，为总兵官，代刘安镇守大同。居庸关、紫荆关等关隘是京师咽喉，也都派遣得力人选前去防守。朱祁钰还接受于谦建议，命监察御史白圭、李宾等l 5人到直隶、山东、山西、河南各府县招募民壮操练，听调策应，又命户部主事陈汝言等往宣府、东昌、德州、河间等卫赏赐蒙古族军官和士卒，以防他们趁机生事。
正当明廷整伤内政、加强战备之际，瓦剌军队在也先率领下果然卷土重来。正统十四年(1449年)十月初一日，也先率领部众拥挟着英宗来到大同，声称要送还英宗。大同守将郭登派人告诉也先：“赖天地宗社之灵，国有君矣!也先见大同守备严密，知郭登早有准备，不敢贸然进攻，便绕过大同，向南进发。郭登将军情驰报朝廷。初三日，瓦剌军前哨精骑2万余已抵紫荆关北口，另一路瓦剌军则从古北口内犯。初四日，瓦剌军3万人过洪州堡进攻居庸关，见居庸关险难攻，便转而去攻居庸关西南的白羊口。初八日，白羊口守将谢泽战死，白羊口被攻破。初九日，也先率精兵攻紫荆关，投降瓦剌的明朝宦官喜宁引导瓦剌军由山间小路翻越山岭，紫荆关城受到腹背两面夹击，遂告陷落，守备都御史孙祥、都指挥韩清战死。
明廷接到郭登战报后，即在京师突行戒严，进行战争准备。初五日，朱祁钰致书宗室诸王，令急遣兵入卫。初八日，诏命于谦提督各营军马，将士皆受节制。又召集文武大臣商议战守之策。成山侯王通主张挑筑北京外城濠以阻挡敌军；总督京营总兵官石亨则主张军队不可出城，应关闭城门，坚壁而守，以待敌军疲劳。于谦不同意他们的主张，认为此时敌军势盛，如果明军显得软弱，则敌军士气更盛。他提出把部队部署在城外以迎击敌人。太监金英非常赞成于谦的意见，对群臣说：“死则君臣同死。”朱祁钰对于谦的计划也表示支持，于是“固守之议始决”。议既定，立即分遣诸将率兵22万列阵于京师九门外：总兵官石亨与副总兵范广、武兴阵于德胜门，都督陶理阵于安定门，广宁伯刘安阵于东直门，武进伯朱瑛阵于朝阳门，都督刘聚阵于西直门，副总兵顾兴祖阵于阜城门，都指挥李端阵于正阳门，都督刘德新阵于崇文门，都指挥杨节阵于宣武门。各门守将皆听石亨节制。于谦把兵部的日常事务交侍郎吴宁处理，自己亲披甲胄，至德胜门外石亨军营，主持前敌军务。初九日，下令“有盔甲军士但今日不出城者斩”，督促各军尽快出城布阵。各军出城部署完毕，即下令将各城门关闭，以示背城死战的决心。又发布军令：“临阵，将不顾军先退者，斩其将；军不顾将先退者，后队斩前队。”于谦还泣以忠义劝渝将士，将士人人感奋，勇气倍增。
十—日，瓦剌军抵北京城下，列阵西直门外。也先原以为明京军精锐尽丧土木，北京旦夕可下，没想到明军严阵以待，早已做好战争准备。在彰义门外的一路瓦剌军，刚驻扎停当，就遭到明都督高礼、毛福寿的袭击，死伤数百，一路上劫掠来的干余名民众也被明军夺去。也先不敢贸然发动进攻，便拥英宗来到德胜门外土城上，邀明廷派大臣出迎，借以试探明廷的态度和虚实。朱祁钰暂升通政司左参议王复为右通政，中书舍人赵荣为太常寺少卿，让他们出城去见也先和英宗。也先听从喜宁之言，对王复等说，“尔小官，可令胡濙、于谦、王直、石亨、杨善等来”，并索要大量金帛财物。五复、赵荣回报，朱祁钰颇为动摇，打算议和，派人去问于谦，于谦回答说：“今日止知有军旅，它非所敢闻。”朱祁钰才打消议和念头，也先索要的金帛财物也拒绝送去。也先一无所得，盛怒之下，纵马队在北京四周大肆抢掠，伺机进攻。明军则固守军营，准备厮杀。
十三日，也先发动总攻，明军与瓦剌军在德胜门外展开一场惊心动魄的战斗。这天天寒降雪，又起大风，接着雷电交加，转为降雨。清晨，也先派出一哨人马，侦察明军虚实。这时，从明军营中，也走出一支马队。原来，瓦剌军抵达北京城下后，曾派散骑来德胜门窥探明军阵势，于谦判断瓦剌军可能要从这里进攻，预先让石亨领兵埋伏于道路两边的空房中，并派一支马队前去诱敌。两队人马相遇，刚一交锋，明军就佯装败退。也先认为明军不堪一击，挥动万余骑追来。瓦剌军刚要逼近明军营地，突然一声炮响，明军神机营的火炮、火统一齐射向敌人，石亨所领伏兵也起而夹攻。副总兵范广身先士卒，跃马陷阵，部下人人奋勇，瓦剌军抵御不住。也先之弟孛罗卯那孩素有“铁元帅”之称，也在战斗中被火炮击毙。
也先攻击德胜门失利，又移师西直门。守将孙锤率军迎战，斩杀瓦剌前锋数人，敌军稍向北退却，孙镗率军追击，被瓦剌援军围在核心。孙镗尽力拼杀，但因兵力单薄，支撑不住，迟到城边。给事中程信等在城上发炮轰击瓦剌军，高礼、毛福寿率兵来助战，石亨也派兵前来增援，瓦剌军三面受敌，只得退兵，无功而还。
这次战斗，暴露出明军防务中的一些问题，于谦及时调整，派全都御史王竑往毛福寿、高礼处提督军务，与孙镗屯兵一处，让他们与彰义门守军加强联系，一遇情况，相互应援，不得自分彼此，贻误军机。十四日，瓦剌军果然向彰义门发动进攻，于谦命副总兵武兴、都督王敬、都指挥王勇率军往彰义门迎敌。明军把火铳放在前面，弓矢短兵在后相随，挫败了瓦剌军前锋。不想明军中有百余名骑兵急于争功，见瓦剌军稍却，遂从后阵跃马而出，冲乱了己方阵脚，明军火器也不敢乱放，怕伤及己方士卒。瓦剌军乘机反击，明军败退，副总兵武兴中流矢死于阵前。瓦剌军追至土城，当地居民不惧危险，纷纷爬上屋顶，投掷砖石打击敌人，喊声惊天动地，阻遏住了瓦剌军的攻势。王竑、毛福寿闻讯赶来助战，瓦剌军见援军已到，不敢恋战，仓皇撤退。
也先这次率大军直逼京师，原以为明军不堪一击，不想连日作战，皆遭败绩，借英宗向明廷要挟的阴谋也未能得逞，这使也先颇为沮丧。对北京城的进攻没有结果，对居庸关的进攻也未能得手。守将罗通利用天气寒冷的气候条件，汲水灌城，利用坚冰阻遏敌人，多次击退瓦剌军的攻击，还三次出关追击敌人，颇有斩获。也先前阻坚城，又听说明朝勤王的军队将至，恐怕归路被截断，于是在十五日夜拔营挟英宗北返，沿途大掠，并焚毁了昌平天寿山明长陵、献陵、景陵的寝殿。杨洪等率军追击，二十四日在霸州击败瓦剌军，俘虏敌军48人，夺回被掠人口万余。次日，孙镗、范广也迫败瓦剌军于固安。沿途民众也自发组织起来，袭击瓦剌军。如真定府安平县老人郭弘、生员郭清等16人袭击斩杀瓦剌军7人，并缴获了一批盔甲器械，朝廷予以嘉奖，授郭弘为判官，郭清等为正、副巡检。
十一月初八日，瓦剌军退回塞外，京师解严，北京保卫战胜利结束。这次战斗的胜利，使明王朝度过了一场政治危机，也使朱祁钰的威望得到提高，地位得到巩固。