公元1449年七月，也先大舉進犯，王振慫恿明英宗親征，于謙和兵部尚書鄺埜極力勸諫，但明英宗不听。
鄺埜跟隨明英宗管理軍隊，留于謙主持兵部的工作，待到英宗在土木堡被俘，京師大為震驚，大家都不知道該怎麼辦。
此時郕王監國，命令群臣討論作戰和防守的方略，侍講徐有貞說星象有變化，應當遷都南京，于謙厲聲說︰
「提議南遷的人應當斬首！京師是天下根本，只要一動便大事去矣，難道不見宋朝南渡的故事嗎？」
于謙力主抗戰，得到吏部尚書王直、內閣學士陳循等愛國官員的支持，郕王肯定了他的說法，防守的決策就這樣定下來了。
當時京師最有戰斗力的部隊、精銳的騎兵都已在土木堡失陷，剩下疲憊的士卒不到十萬，人心惶惶，朝廷上下都沒有堅定的信心。
于謙請郕王調南北兩京、河南的備操軍，山東和南京沿海的備倭軍，江北和北京所屬各府的運糧軍，立即奔赴順天府，依次經營籌畫部署，人心遂稍稍安定。
隨後，于謙升任兵部尚書，全權負責籌劃京師防御，郕王剛剛攝政朝議時，右都御史陳鎰上奏請求誅殺王振全族，廷臣一時紛紛響應。
朱祁鈺無法做決定，于是下令擇時改議，廷臣則抗議不依，此時王振黨羽、錦衣衛都指揮使馬順站出叱斥百官。
戶科給事中王竑突然帶頭在朝廷上猛擊馬順，眾臣紛紛跟隨，馬順當即斃命，一時血濺朝堂，而士卒亦聲洶欲誅。
郕王朱祁鈺看後大懼，欲起身離去，于謙擠到郕王身前，扶臂勸導道︰
「馬順等人罪該誅死，打死勿論！」
眾人听後方止，而此時于謙的袍袖已經裂開，在他退出左掖門時，吏部尚書王直握著于謙的手嘆道︰
「國家正是倚仗您的時候，今天這樣的情況，即使是一百個王直也處理不了啊！」
在那時，朝廷上下都倚重于謙，而于謙亦毅然以社稷安危為己任。
當初，大臣擔憂國家沒有君主，太子年幼，敵寇將至，請皇太後立郕王為皇帝，郕王再三推辭，于謙大聲說︰
「我們完全是為國家考慮，不是為個人打算。」
郕王于是受命，九月，郕王即帝位為代宗，于謙進去回答問話，情緒激昂地哭著說︰
「敵寇得意，要挾持扣留太上皇，這樣形勢下他們必然輕視中國，長驅南下，請命令各邊境的守臣竭力防守遏制。
京營士兵的器械快要用完了，需要馬上分道招募民兵，令工部制造器械盔甲。
派遣都督孫鏜、衛穎、張輒、張儀、雷通分兵據守九門重要的地方，軍隊駐扎在外城的外面。
都御史楊善，給事中王竑亦參與這些事，遷徙外城附近的居民進入城內。
儲存在通州的糧食，令官軍自己去支領，用裝足的米作為代價，不把糧食留給敵人。
文臣像軒倪這樣的人，應該用為巡撫，武臣像石亨、楊洪、柳博這樣的，應該用為將帥，至于軍隊里面的事情，我自己承擔，沒有成效就判我的罪。」
對他的意見，明代宗全都認真地接納了，十月，敕令于謙提督各營軍馬，而也先挾持著英宗攻破紫荊關直入，進窺京師。
石亨建議收兵固守使敵兵勞累衰竭，于謙不同意，說︰
「為什麼向敵人示弱，使敵人更加輕視我。」
馬上分別調遣諸將帶領二十二萬兵士，在九門外擺開陣勢︰
都督陶瑾在安定門，廣寧伯劉安東直門，武進伯朱瑛朝陽門，都督劉聚西直門，鎮遠侯顧興祖阜成門，都指揮李端正陽門，都督劉得新崇文門，都指揮湯蘆宣城門，而于謙自己和石亨率領副總兵範廣、武興在德勝門外列陣，抵擋也先。
把兵部的事交給了侍郎吳寧，把各城門全部關閉，自己親自督戰並下令︰
臨陣將領不顧部隊先行退卻的，斬將領，軍士不顧將領先退卻的，後隊斬前隊。
于是將士知道必定要死戰，都听命令，副總兵高禮、毛福壽在彰義門北面抵擋敵人，俘虜了一個頭目。
明代宗高興，令于謙選精兵聚集在教場，以便調動，再命太監興安、李永昌同于謙一起管理軍務。
當初，也先部隊深入，以為早晚就可以攻下京城，及至見到明朝官軍嚴陣以待，有些喪氣。
叛變了的宦官喜寧教唆也先邀明朝大臣迎接上皇，索取黃金和絲織品以萬萬計，又邀于謙及王直、胡等出城談判。
明代宗不準許，也先更加沮喪，庚申，也先部隊窺伺德勝門，于謙令石亨率神機營在空屋里設下埋伏，派幾個騎兵引誘敵人。
敵人用一萬騎兵逼近，副總兵範廣發射火藥武器，伏兵一齊起來迎擊。
也先的弟弟孛羅，平彰卯那孩被炮打死，也先部隊轉移到西直門，都督孫鏜抵御他，石亨亦分了部分兵力來到，敵寇撤退。
副總兵武興在彰義門攻打敵軍，和都督王敬一起挫敗了也先的前鋒。
敵軍正要退卻，而幾百個騎著馬的宦官想爭功，沖馬爭著向前，陣腳亂了，武興被亂發的箭射死。
寇兵趕到土城，居民爬上屋頂，呼喊著用磚石投擲敵人，喧聲震天，王竑和福壽的援兵趕到，敵軍于是撤退。
相持了五天，也先邀談不成，作戰又失利，知道不可能達到目的，又听說各地勤王的部隊馬上要開到，恐怕截斷了他的歸路，于是擁著英宗由良鄉向西去。
于謙調各將領追擊，到居庸關才回來，評功加于謙少保、總督軍務，于謙說︰
「四郊多保壘，是卿大夫的恥辱，怎麼敢求取賞賜功勞呢！」
堅決推辭，明代宗不準，于是增兵守真定、保定、涿州、易州等府州，請求用大臣鎮守山西，防止敵寇南侵。
公元1450年三月，總兵朱謙奏稱敵兵三萬圍攻萬全，敕令範廣擔任總兵官抵御敵軍。
不久敵寇退，于謙請求即駐兵居庸關，敵寇來則出關剿殺，敵寇退則回京師駐守，大同參將許貴奏北面有三個人到鎮上，想朝廷派使者講和。