十月初一日，瓦剌军分三路大举进攻京师。东路军2万人从古北口方向进攻密云，作为牵制力量。中路军5万人，从宣府方向进攻居庸关。西路军10万人由也先亲自率领，挟持英宗自集宁经大同、阳和(今阳高)，攻陷白羊口(今天镇北)后，挥师南下，直逼紫荆关。明廷得知瓦剌已向京师逼攻，立即戒严京城。初五日，诏诸王遣兵入卫。初八日，景帝命于谦提督各营兵马，将士皆受其节制。刘安、王通被赦出狱，协守京师。初九日，也先抵紫荆关亲自督战。投降瓦剌军的明朝宦官喜宁熟知紫荆关关防部署，引导瓦剌军偷越山岭，腹背夹攻关城，守将韩青、孙祥战死，紫荆关被攻破。瓦剌军便由紫荆关和白羊口两路进逼北京。
明廷召集文武大臣商讨战守京师策略。京师总兵官石亨提出：“毋出师，尽闭九门，坚壁以老之。”于谦认为不可，面对强敌，不能示弱，主张到城外背城迎接敌人，将22万大军列阵于京师九门之外。石亨和范广镇守德胜门(位于城北西侧)；都督陶瑾镇守安定门(位于城北东侧)；广宁伯刘安镇守东直门(位于城东北侧)；武进伯朱瑛镇守朝阳门(位于城东南侧)；都督刘聚镇守西直门(位于城西北侧)；副总兵顾兴祖镇守阜城门(位于城西南侧)；都指挥李端镇守正阳门(位于城南)；都督刘德新镇守崇文门(位于城南东侧)；都指挥汤节镇守宣武门(位于城南西侧)。于谦身先士卒，到防守的重点德胜门亲自督战。军阵部署完毕后，“悉闭诸城门”，以示背城死战的决心。于谦还下令：“临阵，将不顾军先退者，斩其将；军不顺将先退者，后队斩前队。” 十三日，也先集中主力进攻德胜门。于谦早料到瓦剌军可能要从这里进攻，就派石亨预先埋伏于德胜门外道路两旁的空房中，明军只派少量精骑迎战瓦剌军。接战后，佯装败退，瓦剌军以万余骑追来。待瓦剌军进入明军伏击圈时，范广出敌不意，指挥神机营突发火炮、火铳，同时，石亨所领伏兵突起夹攻。瓦剌军大败，有“铁元帅”之称的也先的弟弟孛罗和平章卯那孩都中炮身亡。瓦剌军又转攻西直门，明守将都督孙镗率师迎接。战斗打得十分激烈，明军斩敌前锋数人，迫其北退，孙镗又率军追击。瓦剌军合围孙镗，孙镗尽力拚杀，一度退到城边。幸高礼、毛福寿和石亨率兵前来增援，瓦剌军三面受敌，被迫退去。这次战斗后，于谦根据战斗中暴露出来的问题，重新作了部署，加强了西直门和彰义门之间的军事力量，命毛福寿于京师西南各要口设置伏兵，以待策应。将领之间要加强联系，互相应援。
瓦剌军在德胜门和西直门受挫后，又在彰义门发动进攻。于谦命武兴、王敬、王勇率军迎战瓦剌军。明军神统、弓矢、短兵前后相继，挫败了敌军的前锋。但明军自己也乱了方阵，瓦剌军乘机反击，明军败退，武兴中流矢死。瓦剌军追到土城，土城一带的居民，掷砖投石，阻遏了瓦剌军的进攻。明援军赶到，瓦剌军仓皇逃走。 也先又听说明援军将集，恐断其归路，遂于十月十五日夜下令北退。于谦命明军乘胜追击，二十四、二十五日明军在霸州(今河北霸州市)、固安等地大败瓦剌军。各地人民因不堪瓦剌军的骚扰，也组织起来进行袭击。明军夺回了瓦剌军沿途掳获的许多的百姓和财物。至十一月初八日，瓦剌军退出塞外，京师围解。京师保卫战取得了胜利。
