于谦分遣诸将率兵二十二万列于京师九门之外，皆受石亨节制。于谦把兵部日常事务交侍郎吴宁处理，自己亲自至德胜门石亨军营，以抵御瓦剌的主攻部队。初九日下令“有盔甲军士但今日不出城者斩。”等到各部军队皆出至城外部署完毕后，把所有的城门都关上，以示背城死战的决心。下令“临阵，将不顾军先退者，斩其将；军不顾将先退者，后队斩前队。”于谦自己则身先士卒，躬擐甲胄，“以示必死，泣以忠义谕三军，人人感奋，勇气百倍”，准备迎击瓦剌军。
十月十一日，瓦剌军骑兵直扑北京城下，列阵西直门外，置英宗于德胜门外空房中看守。当天明都督高礼、毛福寿在彰义门北袭击瓦剌军，杀敌数百人，夺回被掠民众千余人。也先看到明军阵容严整，不敢贸然进攻。叛阉喜宁就唆使也先要明朝派大臣迎接英宗，借议和试探明王朝的虚实。明朝知其诈，不派大臣迎驾，以通政使参议王复为右通政，中书舍人赵荣为太常少卿带着羊酒出城到也先营去见英宗朱祁镇。也先让英宗带刀坐帐中，自己和伯颜帖木儿等皆全副武装，披甲胄张弓矢，引王复、赵荣进见。也先不受羊酒，取看番字公文，朱祁镇看汉字公文。也先对王复等说：“你们这些小官，可令胡泼、于谦、王直、石亨、杨善等来，”并索取大量金帛财物。景帝和一些廷臣有些动摇，想议和，派人去问于谦。于谦回答：“今日止知有军旅，它非所敢闻。”于谦的坚定态度，使景帝放弃了幻想，君臣协调一致挫败了也先的讹诈阴谋。
十三日，也先率兵发起总攻。于谦、石亨率明军与敌激战于德胜门外，瓦剌军进抵北京城下后，曾派游骑到德胜门窥探明军军情，于谦判断瓦剌军可能要从这里进攻，指示石亨预设伏兵于路旁空房之内，而派少量骑兵诱战，旋佯装败退，瓦剌军以万骑尾追，待瓦剌军逼近时，神机营火铳、火炮一齐向敌射发，同时石亨伏兵骤起，前后夹攻，也先军惊忧，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。瓦军大败于城下，死伤无数，也先弟弟平章孛罗卯那孩，素有“铁元帅”之称，也在搏战中被范广所部的大炮击毙。瓦剌军转攻西直门，都督孙镗率军迎击，瓦军稍向北退，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助战，激战更急。战阵渐逼近城门时，城上守将程信急发箭炮助战，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。
这次战斗后，于谦根据战斗中暴露出来的一些问题，重新作了部署，加强了西直门和彰义门之间的军事力量。命都督毛福寿等在京城外西南街巷要路，堵塞路口，埋伏神铳短枪，以待策应。派佥都御史王竑往毛福寿、高礼处提督军务，与孙镗一处屯兵。并要他们与彰义门方面加强联系，遇有紧急情况，互相应援，不许自分彼此，贻误军机。瓦剌军在德胜门和西直门遭到挫折后，就在彰义门组织进攻。于谦命副总兵武兴、都督王敬、都指挥王勇率军往彰义门迎战瓦剌军。明军俱以神铳列于前，弓矢短兵次之，挫败了瓦剌军的前锋。但这时明方面有数百骑想要争功，自后跃马冲出，冲乱了阵营，瓦剌军乘机反击，明军败退，武兴中流矢死。瓦军追到土城，土城一带的居民纷纷爬上屋顶，以砖石为武器，铺天盖地般的投击敌人，喊杀声震天动地，瓦剌军受到阻遏。王竑、毛福寿也闻讯赶来支援，瓦剌军看到援军的旗帜，不敢恋战，仓皇退去。
这次也先率瓦剌军深入京畿，原以为明军不堪一击，北京旦夕可下。但经过五天的战斗，皆被击败，议和“迎驾”的诡计又未得逞，也先感到沮丧，瓦剌军的士气低落。明军自接战以来，屡获胜利，士气大盛。而攻居庸关的五万瓦剌军，因天大寒，明朝守将罗通，汲水灌城，冰坚不得近。经过七天的战斗，瓦剌军的进攻都被击退，罗通三次出关追击，斩获无数。也先又听得明朝的援军将集，恐断其归路，遂于十五日夜拔营北遁。也先拥挟着英宗先退，于谦侦察朱祁镇已走远，就命石亨等举火发大炮轰其营，瓦剌军死者万余人。于谦派石亨率军追击到良乡以西，十月十七日也先拥英宗出紫荆关退去。十一月八日瓦剌军退回塞外，京师宣布解严。
在于谦的指挥组织下，北京保卫战取得了胜利，挫败了瓦剌军想夺取北京的野心，明王朝转危为安。也先手中的英宗，由奇货变成了空质。然而土木之败给明军造成的巨大创伤也不是短期内能恢复的。这样，在北京保卫战后的短暂和平时期里继续整饬武备，团结内部的任务，仍沉重地压在于谦的肩上。但是那时，明内部不团结，这个任务的完成极为不易。
北京保卫战后，一些大臣妒忌于谦，有意贬低保卫京城的战绩，有的人甚至罗织罪名，弹劾于谦。侍讲学士刘定之直言不讳，弹劾于谦、石亨无功拜爵。而罗通则含沙射影，攻击于谦等不懂军事，忌贤妒能，持禄保位。罗通是于谦从寒微中识拔的人才，他的这番话怎不叫于谦心寒。国难当头，重任在肩，于谦以身许国，团结好内部要紧，于谦计较不了这许多。在北京保卫战结束后，景帝论功行赏，加于谦少保总督军务时，于谦讲了句掷地有声的铿锵壮语：“四郊多垒，卿大夫之耻也，敢邀功赏哉！”于谦已把全心交给了国家，还何恤人言。
北京保卫战后，对下一步的战守方略，廷臣中存在着严重分歧。户部尚书兼翰林学士陈循力主把能征惯战的将领和精锐部队皆留京师。于是镇守宣府的杨洪及其子杨俊，以及镇守居庸关的罗通都被调到北京。而当时的一些将领，也以为打了胜仗，有了功绩，就想晋官升职，在京师享受。有的虽派遣去镇守边关，却赖着不走，如都督顾兴祖等，虽承差遣，但尚未启行。这些情况使得宣府、居庸关兵将全无，所有的不过是疲兵羸卒。紫荆关、倒马关、白羊等关，在瓦剌军撤退后的一个月内都还没有设守。于谦面对当时防务废驰的情况，忧心忡忡，于十一月十五日上奏道：“宣府者，京师之藩属；居庸者，京师之门户。未有藩篱门户之不固，而能免盗贼之侵损者也。”因此他要求朱祁钰集合文武大臣六科十三道，对如何处置边务从公会议。兵科都给事中叶盛也支持于谦的观点。
在于谦等人吁请下，景帝祁钰对北京及其外围防务引起了重视，派遣左都督朱谦、都督同知纪广、都督佥事杨俊往镇宣府，右佥都御史王竑等往镇居庸关。又派遣佥都御史萧启、都指挥佥事董宸赴河间府，佥都御史祝暹、都指挥佥事赵宣赴保定府，右佥都御史陈矩、都指挥佥事葛旺赴真定府，一文一武加强京西、京南府县防务，敕谕各官加强军事防备工作，警惕也先卷土重来。
为了整饬武备，于谦很重视提高士兵的素质和战斗力，强调平时对士兵的操练，他认为操练军马是国家重要的事务。而当时京军的各营总兵、把总官，每次在朝参后才到教场操练，使得军士在教场上久等，耽误了操练。于谦对此奏请道：“自今乞令总兵把总等，凡直操之日，免其朝参，就令至教场操练。”于谦自己则不时地往来监督，查到懈怠偷懒的立即上奏皇帝，将其罢黜降罪。经过于谦等人的大力整饬，明朝的军备力量逐渐加强。
也先在京城战败后，仍野心不死，在景泰元年（公元1450年）的春夏间又对明朝发动了几次进攻，由于明朝的军备力量增强，也先的进攻均以失败告终。当时明朝内部不少将领还抱着与瓦剌议和的态度，大同参将皇亲许贵的意见就很有代表性。他上疏说：瓦剌派了三个人来大同，邀朝廷派使者去讲和，我方应该派遣使臣，带着礼物款待瓦剌军，以后再慢慢地制定讨伐的计策。对此于谦坚定地答复道：“我与彼不共戴天，理固不可和。万一和而彼肆无厌之求，从之则坐敝，不从则生变，势亦不得和。贵为介胄臣，而惬怯如此，何以敌忾，法当诛。”景帝根据于谦的提议，下令切责许贵。从此，边将人人主战守，没有人再讲议和了。
力迎英宗改革兵制
也先自从俘虏了英宗朱祁镇，原以为奇货可居，欲扣作人质，使明朝关隘不攻自下，并可向明朝索要大量金银财物。谁料想，在于谦主持朝政后新君已立，边备大修，部署得力，着意战守，传谕各边镇“瓦剌奏驾（英宗朱祁镇）至，不得轻出”。每当也先以送驾为名进行讹诈时，都被于谦以“社稷为重，君为轻”回绝。原来也先手中的奇货此刻变成了空质，留着也就不起什么作用了。杀掉他，无疑宣告双方关系彻底破裂；送还他，便可作个顺水人情。因此，也先有了送归英宗朱祁镇之意。
景泰元年夏开始，也先多次派使者来，请明朝派使臣迎回太上皇英宗，表示愿意和明朝讲和。但景帝却怕英宗回来夺他的皇位，因此迟迟不肯回复。当时大臣们都主张速派使臣去迎回朱祁镇，景帝就召群臣于文华殿，商议此事，这时于谦明确地表示赞成迎回朱祁镇。
英宗祁镇回京以后，于谦向朝廷提出“和议难恃”和“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、山海关等处的防务，增加守军人数，按时修缮城堡，并于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；一面对军官的贪污怠职等弊端，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——运河；又对马政、阵法、战车、军器、军功制度多所改进。对于火器，也提倡创造，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，制造有机关的火铳。
于谦不懈地加强军事力量。他在执掌兵部的实践中，深感明朝兵制中的一些弊病，为了从基本上提高军队的战斗力，积极从事对京营兵制的改革。
景泰二年（公元1451年），于谦开始改革京营军制。他于三大营中挑选精勇军士十万人，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。没有选人团营的军士，仍旧归于三大营，称做“老家”。
十五万精锐京军，分编十团营。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。每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，各统领军士五百人。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，共设总兵官一人，由石亨充任，受兵部尚书于谦节制。
于谦对京营的改革，改变了京军各营互不统一，每遇调遣，号令纷更，兵将不识的偷怠紊乱情况。于谦更积极招募兵民，充实军队的作战力量，遣使分募直隶、山东、山西、河南民壮，拔山西义勇守大同，并用民兵防守紫荆关、倒马关两关。这些措施，特别是新军（十营团）的建立以及战守部署等，使明朝的国防渐趋巩固。
尽心社稷小人忌恨
就在于谦日以继夜、鞠躬尽瘁地为国事操劳之时，明王朝内部的一些小人却在妒忌于谦的功绩，怨恨于谦，处处牵制他，与他作对。
正统景泰之际的形势和环境，使于谦这样的忠正卓越之士脱颖而出。景泰初元，于谦实际上是以兵部尚书和总督军务的身份，成了支撑明廷政治运转的核心人物。
于谦出任兵部尚书之时，也先势力扩张，而福建有邓茂七、浙江有叶宗留余部，广东有黄肃养的起义，湖广、贵州、广西苗、瑶、壮等少数民族人民也纷纷起来反抗贪官污吏，明王朝的统治正经受严峻考验。为了维护明王朝的统治，于谦调兵遣将，匠心独运。当戎马倥偬，变在俄顷，他目视指屈，口具章奏，无不妥当切宜。僚吏受成，相顾惊服。他治军号令明审，勋臣宿将只要小有违纪之处，他即请旨切责，片纸行万里外，靡不惕息。为了培养一支训练有素、战斗力强大的中央直属部队，他又将残损的三大营改组为团营。他才略开敏，精神周至，一时无有与其相匹者。他至性过人，忧国忘身，全身心投入中兴明朝的事业。
于谦的杰出才干和忧国忘身的崇高品格，深深为景帝所知。他支持于谦，对于于谦的论奏，绝大多数是完全允准的。如景帝曾派内使到真定、河间等府采野菜，到直沽造干鱼，他以为扰民，景帝即作罢。每用一人，景帝必秘密征求于谦的意见，他具实以对，无所隐瞒，不避嫌怨。由此，那些在职而不任事的人无不怨恨于谦，而那些未能得到如于谦那样重用的人则对他妒嫉横生。副都御史罗通，本因于谦的识荐，自一闸官破格拔升而起，但也先刚刚被逐至边外，他即上疏弹劾于谦上功簿不实，景帝不问。
于谦以兵部尚书掌部事，又总督军务，在明朝历史上是一个新例。于谦的前任邝野曾向恭顺侯吴克忠索要军士名册稽考，吴克忠按例上闻，邝野便不得不惶惧上疏谢罪。可见在于谦之前，兵部尚书都无权过问军士的总数。可是，他不但稽考兵数，而且通过对军士数目的点阅监督武臣是否私役、卖放军士；他不但掌管武臣的考选、推举，而且还是京营事实上的最高统帅。在一些人的眼里，他的权力太大太专了。于是便有御史上言，说于谦任事太专，六部大臣同内阁奏行的事，于谦据祖制驳之。户部尚书金濂上疏斥责其非，景帝最后维护了现行的制度。
于谦性情刚直，对于当时的勋戚贵幸的怯懦贪鄙，多所轻视，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？”表示决不向他们让步。
于谦不树党，不阿君，尽管景帝比较重用信任他，于谦也不是对景帝无原则地顺从。景泰三年五月，景帝废掉英宗的儿子朱见深的皇太子名义，另立自己的儿子朱见济为皇太子。景帝这种自私行为，于谦是不赞同的，景帝心中不快，对于谦日渐疏远，不肯授予于谦全面行政的实权，仅仅因为边防多事，才使之长期专任兵部。对此于谦也不是没有察觉，但他不以为意，仍旧忠心耿耿干好本职工作。
于谦在其任兵部尚书期间，号令明审，即使是勋臣宿将，只要稍稍违犯律例，他即请旨切责，毫不留情。因此得罪了一批官僚，使他们站在于谦的对立面，成为于谦的敌视者。
徐埕，后改名有贞。在土木英宗被俘后，曾主张迁都南方，遭到于谦等主战派的驳斥和内廷的讪笑。此后他久不得志，便攀附要人以求升官。他送给大学士陈循一条玉带，并用术士的口气预言道：“公带马上就要换成玉的了。”不久，陈循果然加官为少保，非常高兴，于是便多次保荐他。当时用人多取决于于谦的意见，徐埕便托于谦的门下士游说，求升国子监祭酒。于谦觉得他颇有才气，便托内使转达景帝，保荐他。
