也先这次进攻，采取了兵分两路、南北夹击、长驱直入、进逼北京的方略。南路用兵三万，也先亲自率领，是进攻的主力，挟持太上皇，经紫荆关进攻北京；北路用一部兵力攻居庸关、白羊口以配合。
九月二十八日，也先挟持英宗到大同北门。总兵官郭登身穿朝服，在月门里设交椅一把，请英宗下马进入，同时在城上埋伏士兵，待英宗入后，放下闸板。但英宗不肯下马，也先等发现，就挟持英宗出门去。也先又挟持英宗到东门，要求城中官员出见，知府霍瑄从水窦出见英宗，并送上羊酒等物。也先没有攻城，郭登等也没有出击。
十月初三，也先挟持英宗到阳和（今山西阳高），阳和守将送英宗以牛羊酒。双方仍未交战。初四，也先挟持英宗到达紫荆关北口，右副都御史孙祥派指挥刘深去见英宗。紫荆关是通往北京的咽喉要道。也先欲犯京师，必先取紫荆关。
十月初五，也先军开始进攻明军。明军在孙祥的带领下，凭借崎岖山谷、城高池深，进行顽强抵抗。太监喜宁引也先从间道入，内外夹攻，进入关城，都指挥韩青战死，右副都御史孙祥督兵与敌人巷战，最后被杀。初九，喜宁引也先军烧毁紫荆关，挟持英宗经易州、良乡、卢沟桥，于十一日进抵北京城郊。与此同时，也先别部攻入白羊口（北京昌平西），守将吕铎逃跑，刚到任不久的通政使谢泽督兵扼山口。当时风沙弥漫，不辨人马，有人建议转移到其他山口避敌，谢泽不肯，坚决抵抗。士兵溃逃，敌人攻入，谢泽痛斥敌人被杀。
对于也先以送英宗为名的进攻，明廷在九月二十三日，已有所闻，并采取了一系列应急措施：
（1）识敌阴谋，加强戒备。九月二十四日，明廷指示镇守宣府的太监赵琮，一定要以“宗社为重”，瓦剌如果真心送驾回京，人马若止五七骑或十数骑，可听其自来；若大队人马护送“必非真情”，当“从长计议，或事袭击，或用固守，务出万全”，并要求紫荆关、居庸关等守将，加强戒备，有备无患。
（2）任命将领，加强指挥。命兵部尚书于谦提督各营军马，统一指挥。起用王通为中军都督府都督佥事、任命礼部左侍郎杨善为都察院左副都御史，同王通一起，提督守备京城，并以吏科给事中程信、户科给事中王蛇协助之。赦免广宁伯刘安，令顾兴祖、刘聚恢复官职，以刘安为总兵官，祖、聚为副总兵杀敌。
（3）派兵遣将，增援紫荆。也先军予十月初五攻打紫荆关，初六，明廷以都督孙镗充总兵官，高礼为副总兵，率精兵2600人，支援紫荆关的防守，并以都督毛福寿、陶瑾率精兵一万，策应孙镗。但刚要出发，得知紫荆关失守，孙镗遂率军驻扎于北京近郊。
（4）调集军队，急驰勤王。致书宗室诸王，要求他们以宗社为重，派将领，率精兵，星夜赴京勤王。命守备宣府总兵官杨洪率兵两万，辽东副总兵焦礼、施聚将兵三万，星夜入援京师。
（5）列阵九门，严守京师。瓦剌也先军进逼京师，右都督石亨主张收兵入城，禁闭九门，坚壁疲敌。于谦认为，瓦剌势盛，“奈何示弱，使敌益轻我”！他主张“凡兵皆出营郭外”御敌，于是将主力22万依城列阵于九门之外；都督陶瑾列阵于安定门；广宁伯刘安列阵于东直门；武进伯朱瑛列阵于朝阳门；都督刘聚列阵于西直门；副总兵顾兴祖列阵于阜成门；都指挥李端列阵于正阳门；都督刘德新列阵于崇文门；都指挥汤节列阵于宣武门；于谦与石亨率副总兵范广、武兴列阵于德胜门，以当冲要。
关闭九门，绝士卒反顾，以示背城一战的决心。还规定：“临阵将不顾军先退者，斩其将。军不顾将先退者，后队斩前队”。
于谦躬擐甲胄，率先士卒，激励三军。这样，就形成了一个依城为营，以战为守，分调援军，内外夹击的作战部署，准备与瓦剌军决战于北京城下。
十月十一日，都督高礼、毛福寿迎击瓦剌军于彰义门（今北京广安门西）北，击退敌三百余人的进攻，生擒一人。当日，瓦剌也先军列阵于西直门外。
十二日，也先挟持英宗至德胜门外土城，要求朝廷派大臣出迎。
代宗朱祁钰怀疑其中有诈，遂临时升通政司左参议王复为右通政使、中书舍人赵荣为太常寺少卿，派他们出城朝见朱祁镇，并送去羊酒等物。也先认为王复、赵荣官小，将其遣回，要求兵部尚书、统领全军人马的于谦，右都督、节制九门防卫的石亨，吏部尚书王直，礼部尚书胡濙亲自出城迎接，并索求金帛数以万万计。显然这是诱骗和敲诈。但这时朝廷议论纷纷，是战是和景帝朱祁钰一时难以决断。礼部派人问于谦，于谦回答：“今日止知有军旅，他非敢所闻。”从而粉碎了也先的诱骗阴谋，上下决心抵御。
当日夜，所镇抚薛斌率官旗23人，潜劫贼营，射死贼一人，夺所掳人口一千余。
十三日，瓦剌军进攻德胜门。于谦令石亨在城外民房内设置伏兵，派少数骑兵佯败诱敌。也先以万骑紧追不舍，明军神机营火器齐发，伏兵骤起。范广率军冲击，大败瓦剌军于城下。也先弟勃罗、平章卯那孩等中炮死，瓦剌军退。也先发觉明军主力在德胜门，便集中力量转攻西直门。都督孙镗迎击，斩其先锋数人。瓦剌军稍后退，孙镗追击。瓦剌军增兵围攻孙镗。孙镗力战不支，欲退入城中，给事中程信守西城，严令不许开门，命城上守军发神炮、火箭助战，轰击瓦剌军。这时，高礼、毛福寿前来支援，礼中流矢；石亨又分兵从德胜门来接，瓦剌军乃退。
十四日，于谦派副总兵武兴、都督王敬等前往彰义门歼敌，并令都督毛福寿等于京城外西南街巷要路，堵塞路口，埋伏神铳、短枪，以待策应。王敬、武兴与敌战于彰义门外，武兴会明军前队以神铳轰击，后队列弓弩、短兵继之，把瓦剌军击退。这时，朱祁钰所派监军太监，率数百骑由明阵内驰马抢前，企图争功，使明军阵势陷入混乱，瓦剌军乘势反击，追至土城，副总兵武兴中箭死。在此危急之际，“居民升屋，号呼投砖石击寇，哗声动天”，配合明军击敌，瓦剌军进攻受挫。佥都御史王豌、都督毛福寿等率领的援军也及时赶到，瓦剌军退去。当日，瓦剌别部运板木、草束攻居庸关，也被明军用火器击退。也先在进攻北京的过程中，到处遭到民众的自发袭击。
攻紫荆关时，灵丘（今属山西）、蔚州（今河北蔚县）、广昌（今河北涞源）一带民众，聚山守寨，奋起抵抗，截击瓦剌军，救出被掳人口。北京周围州县的民众，也纷纷组织起来，对四出掠夺的瓦剌军予以打击。
也先对北京各门的进攻屡遭失败，又获悉明各路援军即将到达，生怕归路断绝，便于十五日夜，挟持朱祁镇由良乡向紫荆关方向撤退。另一部向居庸关方向撤退，十六日，至居庸关。都指挥杨俊率官军八百追击敌人，斩获六级，获马一百二十匹，牛骡四百七十余只，追回男女五百余口。也先率军离去。
瓦剌军进入紫荆关后，四出掳掠，同时散居京畿原归服的蒙古人也乘机抢劫。也先退出后，余下的瓦剌军仍在易州以西下营抢劫。明廷于二十四日以杨洪为总兵官，范广为左副总兵，孙镗为右副总兵，陶瑾、张义、陈友、刘聚为参将，率兵五万，分为两军，一前一后，声势相接，进行追剿。二十五日，杨洪在霸州（今河北霸县）境破残虏，生擒引路的内奸五人，夺回被掳人口万余，马牛无数。孙镗、范广也有斩获，直至把敌人逐出紫荆关。
此次瓦剌军的进攻，可汗脱脱不花兵在后，还未入关，闻也先败，退兵。二十日，他单独遣使兀灵哈来朝。明廷为分化离间他与也先的关系，宴请使者，并赐予彩币等物。
北京保卫战以也先败退，脱脱不花来朝和肃清残敌而宣告结束。
北京保卫战是一次胜利的城市守卫战，究其胜利的原因，主要有以下几点：
（1）决策正确，上下同心抗敌。土木之役后，以于谦为首的抗敌派战胜迁都派，说服了皇太后，坚定了保卫北京的决心。拥立郕王为帝，任命了各部大臣，建立了政府领导，特别是任命了以忧国忘家、志存宗社、有胆有识的于谦为兵部尚书，有了一个坚强的抗敌核心；惩办了王振余党，人心大快，抗敌之心振奋；瓦剌军烧杀劫掠，民心要求抗敌。这些是取得这次保卫战胜利的极其重要的政治因素。
（2）筹措军兵粮饷，战争准备充分。土木之役后，在于谦的主持下，迅速地进行了战争准备；任命了一批得力的将领，京军由十万疲弱之卒，迅速增至二十二万，超过瓦剌军数倍；调拨、收集、制造武器装备，迅速武装起来；搬运粮草进京，准备持久御敌，焚毁北京周围不能运进的粮草，不予资敌。这些为取得保卫战胜利奠定了物质基础。
（3）梯次部署兵力，有效御敌进攻。远则大同、宣府重镇，近则居庸、紫荆关隘，最后京郊、城垣，形成有层次、有纵深的防御部署。尽管大同、宣府没有发挥多大作用，但紫荆关的防御战，为保卫北京赢得了宝贵的五天时间。
（4）以战为守，发挥火器威力。城市防御战有以攻为守，婴城自守，攻守结合几种打法。北京保卫战创造了背城决战，以战为守的成功战法。在兵力超过敌人数倍，作战准备充分，士气振作的情况下，于谦决定兵出九门，战于城郊是正确的。作战中相互配合，敌攻一路，他路支援；敌攻城外，城上配合；夜袭敌军，主动出击等战术运用也是成功的。巧妙地运用火器，先以伏兵诱敌，待敌迫近突然以火铳、火炮、飞枪、火箭齐射，或用大将军（巨型重炮）轰击；敌乱，步、骑发起猛烈反击。火器同步、骑、弩兵密切配合，充分发挥了自己之优长，减杀了瓦剌骑兵的优势。这些使明军迅速地变被动为主动，仅五天就击退强敌。
但是，北京保卫战也确实暴露了明军的不少弱点。北京保卫战就保卫北京来讲是成功的，但就同瓦剌军作战来讲，并没有取得重大胜利，既没有使瓦剌军受到重大损失，也没有夺回英宗，阻止瓦剌的进出。正如当时人指出的，“未有若今日，也先乘胜入寇，直抵京城，奉上皇以来，而天下之大，数十万之众，既不能奋武以破敌，又不能约和以迎驾，听其自来，又听其自去者也。”其在战争指导上，主要有以下失误：
（1）婴城自保，不主动出击。大同、宣府为北京的外大门，守城将领郭登、杨洪素称骁勇善战，但当也先挟持英宗进攻时，他们只知婴城自守，通报消息，既未率军出城击敌，也未袭敌之后，任敌自由出入己境。如果他们能主动出击，或者当敌人过境之时，尾随敌后，进行袭扰，至少可以迟滞敌人，使其不能长驱直入。甚至在其攻打紫荆关时，腹背受敌，难以奏效，把敌堵截于紫荆关之外。
（2）赴援迟缓，痛失关隘。也先十月初五，攻打紫荆关，明军六日决定支援。但直到紫荆关失守的消息传到京城，援军尚未出发，暴露了明军将领不谙兵贵神速，明军准备不周。如果赴援迅速，也先以3万兵力要想攻下近4万明军依险而守，后有1万精兵策应的关隘，当是困难的。
（3）追堵不力，任其来去。瓦剌进攻北京的兵力，最多不超过5万，但在十五日夜撤退后，明守城的22万大军无一卒追击，居庸关、紫荆关的守军，也没有有效的堵截，“听其自来，又听其自去”，这是战争指导上的一个重大失误。如果严守两关，形成关门打狗之势，二十几万大军，对付也先几万人，即使不能将其彻底消灭，至少可以给他以重大打击。
综上所述，可见北京保卫战的胜利实属有限，它说明了明军已失去了二十多年前五征漠北时的雄风。
瓦剌也先军的失利，从作战指导上来看，主要是孤军轻敌冒进。
也先置宣府、大同等要点于不顾，长驱深入千余里，直驱北京，结果前有坚城、重兵，后有重镇、险关，外有四方云集的勤王军，自己兵力不足，与脱脱不花、阿剌不能互相配合，援军不济，在战略上处于孤军被夹击的态势；攻城非骑兵所长，要攻下设防坚固的城池，实属困难。也先军虽然失利，但从实战中也可看出瓦剌军的某些优长：在攻城失利之后，迅速撤退，反映出也先有较强的应变能力；以送上皇为名，避免了过早地同明军交战，顺利通过重镇，直趋北京，虽然有些冒险，但如明京城不坚决抵抗，就能顺利达到目的；朝发阳和，夕抵紫荆，从紫荆到良乡也只一天，这种快速机动也是明军难以匹敌的。
在于谦的领导下，北京保卫战取得胜利，大明王朝的历史得以延续。
于谦肩负起了自己的历史使命，勇敢而智慧地领导并取得了这场战斗的胜利，可以说是功勋卓著。可就是这样一位历史的英雄，在保家卫国之后，却要面对命运的不公。