就在明朝方面，童騃骄纵的皇帝英宗，所有军政大事，全由王振全全代理，而王振只是一个太监，且王振确胡作非为，残害忠良，广植私党。1449年当也先入侵时，王振更想利用皇帝“亲征”，幸取战功，提高个人威势。在这样政治浑浊的情况下，王振就掌握了戍卫京城的禁军的全部指挥权。七月十四日下令出兵，十六日就必须启程，行军部署毫无成算。当时瓦剌军侵入大同、宣府、独石、廷庆等边塞，明守军节节败逃。英宗、王振竟贸然驱使大批中央高级官员和“前军五万骑，吏卒私属可五十万人”，冒着狂风暴雨，拥出居庸关向大同进发。八月初一，到达大同。瓦剌军暂退塞外，诱明军深入北上。但王振等看到边兵败亡，横尸满野的惨状，却惶惧失措，挥军急退。十三日退到土木堡（今怀来县西）狼山一带，瓦剌追兵从后面两路逼来，王振派兵迎敌，均败溃；兵部尚书邝埜三次奏请英宗突围，均为王振所阻。十四日黎明，瓦剌军四面合围，十五日瓦剌军诈退，明英宗急派使臣去瓦剌军营向也先讲和。也先也派使臣持文书来明营，英宗命学士曹鼐草文书，派通事二人随也先使臣去瓦剌军营。王振立刻下令移营就水，明军人马饥渴，士兵争先跳越营边壕堑，队伍混乱，不能停止。瓦剌骑兵忽从四面冲来，呼啸蹂阵而入，奋长刀猛砍明军，大呼“解甲投刀者不杀！”明军弃甲曳兵，裸袒蹈藉，尸体蔽野塞川。英宗与亲兵乘马突围不得出，下马据地盘膝面南坐，遂被俘虏。在混战时，扈从大臣如英国公张辅、尚书邝埜、王佐、学士曹鼐、张益、侍郎丁铉等高级官员五六十人都被优军所杀。军士弃尸数百里。其实当时追来的瓦剌军仅两万余，而明军五十万人，死亡过半，骡马二十余万以及衣甲、器械、辎重全被也先军所夺。太监喜宁投降，将明朝虚实情况完全告给也先。当英宗被俘时，护卫将军樊忠从旁用所持长锤把王振捶死，痛骂道：“我替天下诛此奸贼！”遂冲向敌军，杀死敌方十余个人，最后死在战场。这一场大混战，历史上称它为“士木之变”。
就在“士木之变”后，首都北京的明朝立即卷入战场的前哨，政局空前混乱，危机四伏。皇太后和留守京城的郕王朱祁钰急召大臣朝议。翰林侍讲徐珵竟公然主张逃跑，倡言南迁金陵，可避灾难，于是空气更加恶劣，群臣都犹豫昏惑，只知聚哭殿前。于谦厉声斥责徐珵说：“倡议南迁者，当斩首，京师是天下的根本，一动则大势去矣。谁不知宋朝南渡的祸患。请立刻调动四方兵勤王，誓死守卫京师。”于谦的正确主张，得到吏部尚书王直、内阁学士陈循等的同意，皇太后、郕王等慢慢地清醒过来，便把守城抗战的责任全部交给于谦。于谦等遂即建议：
（一）调山东沿海备倭军和漕渠运粮军急援北京，并令全国各地起兵勤王。
（二）提前发给官兵半年的或一年的禄饷，让他们自己到通州仓库取米，并号召百姓参加搬运通州军资进北京城。
（三）动员京郊居民进城，并招募新兵，优给粮银。
（四）肃清潜藏在京城内外的间谍等敌人。
（五）从土木堡战败逃回的士兵，免予处分，仍要报名，各赏银布操练守城。
（六）加强城防工事，赶造兵器，同时急运南京内库军器三分之二北上。八月二十一日，于谦被任做兵部尚书，当时，以于谦为首和以商辂、王竑、袁时、吴宁、王伟、朱骥等为主干的爱国官吏一致坚决主张抗战。于谦明确提出了“社稷（指国家）为重，君为轻”的口号，认为英宗既成瓦剌俘囚，帝位不应虚悬，遂奏请皇太后让郕王监国。并将阉党马顺、毛贵等箠死，王振家族全部刑斩，以平众愤。又将阉党郭敬等治罪。这样，在一定程度上镇压了阉党，振奋了士气。九月六日，郕王正式登皇帝（景泰帝）位，遥尊英宗做太上皇，明朝中央政局更显稳定。同时，于谦又选派得力将领，增补关隘，加派援军，重新调布了长城边防。于谦治军，赏罚严明，教练有法，特别重要的是于谦把抗击瓦剌入侵看成全国一致的神圣爱国任务，广泛地发动人民报效杀敌，为了保卫国家，他又得了新兵，扭转了这次的败局，才算保证了抗战的胜利。
他们想也先俘捉英宗以后，就想利用这个“御驾”做招牌，用他来威胁并诈诱明朝各边镇开城迎降。由于于谦严令各将领坚守关隘，“自今瓦剌奉驾（太上皇）到，不得轻出”。因此也先拥英宗到宣府、大同等处，守将都闭门不纳。九月末，瓦剌发动了第二次总攻势。十月初，瓦剌别部三万骑攻辽东各镇，同时别部进犯甘肃沿边。也先率主力军骑兵三万掠大同，直冲紫荆关，阿剌率二万骑突入古北口。十月九日，也先破紫荆关，阿剌等军从赤城南下，两路向北京合围。当时在北京，明朝从各地征调和新募的军队约二十二万人，但有盔甲者仅十分之一。各将领地守城方略议论纷纭，多主张退军城内，坚壁清野，以避敌锋。于谦坚决主张必不可示弱，当列阵郊外，迎击敌军。他亲身披擐甲胄，主持大军，驻营德胜门外，分配防卫九门兵力，指定负责将领，誓告全军，效忠卫国。特令“临阵，将不顾军先退者，斩其将，军不顾将先退者，后队斩前队”，于是人人奋勇杀前，士气奋奋昂扬。
十一日那天，瓦剌军在西直门外列阵，两军对垒。也先仍扬言要释放“圣驾”，胁迫明朝屈服讲和，并指出要于谦等大臣出来迎接，但被拒绝了。当夜，明军进击瓦剌军先锋于彰仪门外，获得第一次小胜，军威大振。次日，明军在各门外略有斩获。十三日，瓦剌军和明军在德胜门外展开了激烈的斗争。当时天寒，降雪，又大风，忽而雷电降雨。于谦先派石亨领兵埋伏在道旁民间空屋内，另派小队骑兵做急前锋，冲击瓦剌军阵，接战时假装败退，也先立刻挥动精骑万余，呼啸追来，直逼明军。于谦待敌军近城，令神机营火炮火铳齐发，同时石亨伏兵骤起，前后夹攻，也先军惊扰，明军副总兵范广骁勇绝伦，跃马当先，冲入敌阵，部下将兵齐力杀进，瓦剌军大败于城下，死伤无算，也先弟平章孛罗卯那孩，在搏战中被大炮击毙。瓦剌军转攻西直门，都督孙镗率军迎击，瓦剌军稍向北退，孙镗追击，瓦剌军增援反扑，孙镗军拼力血战。明军高礼、毛福寿等率兵从南面来助战，激战更急，战陈渐逼近城门时，城上守程信急发箭炮助战，会石亨领兵又从北面赶到，瓦剌军三面被围攻，才向西南退去。这是明军给也先以迎头痛击的第一次大会战。次日，于谦又亲自指挥都督毛福寿等军大败瓦剌军于彰仪门土城外，在两军搏斗时，京郊居民配合官军奋勇杀敌，纷纷跳上屋顶墙头，猛飞砖石，呼声震天，瓦剌军惊愕溃逃。这是明军第二次大胜。继而京郊军民配合展开了追击战，瓦剌军别支部队分掠各州县农村，也多遭民兵抗击。也先迫使明朝“迎驾”的阴谋，毫未得逞，在五天的激战中，又连战连败，死伤很多，也先大感沮丧。另外瓦剌军在居庸关也被明守将罗通击败。十五日夜间，瓦剌军拔营潜遁，于谦派石亨率军追击到良乡以西。十七日，也先拥祁镇出紫荆关退去。九、十月瓦剌军焚掠山西、河北各地，也都被驱北退。十一月八日，瓦剌退出京师回到他们的塞外，此时京师宣布解严。
抗击瓦剌侵入守御京师是正义的卫国战争。在广大人民英勇地从事保卫祖国斗争的基础上，于谦等能够积极运用政府机构迅速集结了部分军事力量，及时鼓励士气，亲临战场，指挥军事，因此使得保卫京师的战争，获得胜利，把明朝从败亡的严重危机中挽救了出来，并且保障了正在走身繁荣富强的北方生产事来，还有广大人民的生命一样的财产。
瓦剌军在京郊受到打击退回塞外后，于谦对于国防军事的布置，并未稍懈。首先是加强保卫京师的力量，拥调辽东、宣府部分军马来到京师，并命大同总兵郭登随时准备率所部到京师增援。京师稍见稳定后，于谦进一步加强边关的防御。对宣府、居庸关以及保定、河间、真定各处，增派大将镇守。又派顾兴祖、刘安等率兵修筑北边关塞重要的地方并增调军队作为防守。
景泰元年（1450年），在春夏两季，瓦剌军队对明朝北边连续发动了广泛的攻势，进攻宁夏、大同以后，又侵扰庆阳、朔州、阳和、万作等地，但都吃了败仗。另外，当时也先、脱脱不花和阿剌知院三方面对明朝的态度也各不同，他们都想单独先取得和明朝“通贡”和“互市”的经济利益，因而相互猜忌。于谦就在这时先派使臣和脱脱不花交涉，获得了初步协议。因此，也先拘留着祁镇，原以为奇货可居，这时反成为对明朝交涉上的绊脚石。终于被形势所迫，不得不将明英宗送回。可以说正是由于明朝在实际战争中取得胜利，政治策略正确和军备的充实，才能对瓦剌交涉上取得了全面的主动权，终于收到胜利的结果。英宗回国后不久，也先派使臣前来，要求通贡，双方又恢复了正常的互市关系。另一方面，由于也先侵明失败，以及虐待诸部，日益骄横，引起各部族酋长互相猜忌和仇杀，也先攻杀脱脱不花汗，随后阿剌知院又攻杀了也先。自从也先死了以后，瓦剌部属分散了，势力就慢慢衰落了。
明军虽然从失败转到胜利，但从各方面造成的战争创伤，是得要很长时间才能恢复的。在瓦剌进攻京师被击退后，明朝论功行赏，升加于谦的官职称少保总督军务，仍掌兵部尚书事。于谦辞让道：“四郊多垒，卿大夫之耻也，敢邀功赏哉！”固辞不允。于谦在祁镇回京以后，首先向朝廷提出“上皇虽还，国耻未雪”的警告。他条谏各项安边的策略，坚持执行，专力于国防的充实。一面加强真定、保定、涿州、易州以及永平、宣府、大同、居庸关、山海关多处的防务，增加守军人数，按时修缮城堡，并于1451年（景泰二年）遣都督佥事孙安率轻骑出龙门关收复独石、马营等八城，募民屯田，且耕且守，这样就使宣府、怀来的防务，更趋巩固；一面对官军的贪污怠职等弊端，严加纠察，整肃了军纪；另外还推荐平江侯陈豫镇守临清，增筑新城，保护漕船运输的要道棗运河；又对马政、阵法、战车、军器、军功制度多所改进。对于火器，又提倡创造，如采纳巡关侍郎江潮的建议，制造“火伞”，燃放出去，可以惊溃敌军马队。又采纳应州人师翱的建议，制造了有机关的火铳，在最短的时间内可发三次，射程可达三米步以外。
于谦以为瓦剌虽然只是暂时求和，但是明朝若不加强国防，还是不能制止瓦剌的侵扰，于是他便进一步积极着手改革京营的军制，创立了巨大团营。
明朝京卫军队，原来分别隶属于三千、五军、神机三大营。五军营是洪武时编定的军制，有步队、马队，专教阵法。三千营是永乐时编定的，都是骑兵，专管扈从皇帝出入。神机营是永乐时对交趾作战时编定的，使用火器，主要是步兵，更附添马队在内。三大营各有总兵官，不相统属，同时五军都督府调动，平时掌府官只管军政文书，不管操练，战时分别调遣，号令不能一致。将领和军士彼此也不熟悉。正统时，京营军士四十余万，由于营政废弛，作战能力很低，“土木之变”，京军伤亡很多，营制更形紊乱。
于景泰于谦开始改革了京营军制，在三大营中挑选精勇军士十万于人，编为五营操练，叫做团营。第二年，又将团营军士增加到十五万人，分十营操练，于景泰三年，团营制度完全确立，而那些没有选入团营的军士，仍归三大营，称做“老家”。
十五万精兵，分别分到十个团营。每团营一万五千人，置都督一人，统率本营，叫做“坐营都督”。每一坐营都督下，设都指挥三人，各统领军士五千人。第一都指挥下又设把总五人，各统领军士一千人。每一把总下又设指挥二人，各统领军十五百人。每一指挥下，设领队官五人，各领军士一百人。每一领队官下设管队二人，各领军士五十人。以上十团营设一总兵官，明廷命石亨充任。于谦对于京营的改革，改变了京军各营互不统一，每遇调遣，号令纷更，兵将不相识的偷怠紊乱情况。于谦更积极招募民兵，充实军队的作战力量，遣使分募直隶、山东、山西、河南民壮，拨山西义勇守大同，并用民兵防守紫荆、倒马二关。这些措施，特别是那个新军（十营团）的建立及战守保有位部署等，使明朝的国家变的极为巩固。
当瓦剌把祁镇释放回来的时候，祁钰把祁镇看作是最危险的一个政敌，立刻禁锢在皇城里的南宫内，他所住的宫叫崇质宫（俗名黑瓦殿，在南池子普渡寺一带）。这一带地区，永乐时称为“东苑”，又叫“小南城”。这是个离宫别馆，祁钰把祁镇关闭在此处，特派靖远伯王骥守备，不在允许他和外面交往。
景泰三年（1452年），祁钰废掉了皇太子见深（祁镇子），更立他的儿子见济做太子，祁钰这种自私的行动，于谦并不赞成，因此祁钰对于于谦渐见疏远，不肯授予于谦以全面行政的实权，仅因防边多事，才使于谦长期专任兵部。于谦对于当时的勋戚贵幸的怯懦贪鄙，多所年轻，因而对于阉党邪派的阴谋活动，也就警惕不够。于谦遇到阉党破坏和捣乱的时候，常愤慨地扪胸叹息，曾说：“此一腔热血，竟洒何地？”表示绝对不会向他们底头让步。
在用人行政中，于谦对所有贪污的高级军官，严加劾办。石亨在德胜门外的战功，并不高于于谦，受封世袭的侯爵，自觉愧心，曾上疏推荐于谦长子于冕做都督府前卫副千良。于谦上疏恳辞，并指责石亨位居大将，不选拔军伍中人才，报效国家，单独荐举于冕是不合公论的。同时更指出：“臣于军功，决不冒滥，纵欲为子求官，自当乞恩君父，何必假手于石亨”！石亨听到于谦严厉的指责，便积恨在心。石亨身任京营总兵，提督十团营，骄纵枉法，勾结营私，于谦屡次对石亨加以奏劾，石亨更切齿痛恨。另外，都督张軏先后因犯军律，曾被于谦弹劾，也怨恨于谦。太监曹吉祥也因监守军务时被于谦所制裁，平素也甚介介于心。前任兵部尚书王骥因在正统时党附王振，行为骄纵，景泰时曾受裁抑，但他屡思跋扈，由于于谦不肯推荐，因此也对于谦怀有嫉恨。总言而之只在改进军务方面，于谦便遭到了很多的阻拦。