明朝五十万大军在土木堡溃败，没有正式战报。明英宗在陷敌后被送到雷家站（在今河北宣化县东南）也先营，经审察明白确是大明皇帝时，也先大喜说：“我常告（祭祀）天，求大元一统天下，今果有此胜！”他问部下究应如何处理。有的主张立刻杀死明英宗，以泄大恨；有的主张留下他作为要挟明朝的资本，经过一番激辩，没有结果。也先暂时将明英宗押在其弟伯颜帖木儿营里，只许被俘的校尉袁彬和他在一起。明朝使臣梁贵，现在还留在瓦剌营里，明英宗叫袁彬代写一信，密派梁贵送往怀来卫，说明被拘留的情况，要求多拿财宝来赎他。这封信经怀来卫守臣派人送往京师，于当夜三更时分从西长安门秘密送进皇宫，这是土木堡非正式的战报。这样恶劣的消息，当然无法公布了。第二天，皇太后孙氏、皇后钱氏用八匹马驮着大批珍宝，派使者送往也先营里，企图赎回明英宗。这时候有一部分官员已经得到了土木堡惨败的消息，他们也在街上看到了带伤的败兵，他们向兵士打听皇帝的下落，不得要领。大小官员都非常惊惶。一些宦官也从土木堡战地上逃回，在宫里讲泄气话，于是对敌人恐惧的空气首先在上层统治集团中间散布开来，官僚、势豪们纷纷将贵重财物运往自己的家乡。当时明朝的精兵良马大都败没在前线，京师防御力量薄弱，疲卒羸马不满十万，而且只有十分之一的军士是有盔甲的。京师的形势极其危急。
十八日，皇太后命明英宗的弟弟郕王朱祁钰监国。朱祁钰召集大臣商议战守大计，翰林侍讲徐珵大声说：“我从星象上考察、从历数上推算，时局已经无可挽回了，现在只有赶快南迁，可以避免大难。”徐珵是大地主的代表，他没有一点血气，在明英宗亲自出征以前，就预备南逃，偷偷把妻子送回故乡苏州去了。这时候他在朝堂上公开主张逃跑，文武百官就更加动摇了。七十八岁的老官僚礼部尚书胡濙，不同意徐珵的主张，但只是犹豫地说：“文皇帝（指明成祖）把陵墓建在北京，他是不希望子孙南迁的。”当下群臣惶惑失措，作不出决定，只是聚在一起哭泣。适时，兵部左侍郎于谦厉声斥责徐珵说：“倡议南迁的，应当斩首！京师是天下的根本，不可以放弃，宋朝南渡的故事，我们应当引为监戒。现在惟有徵召各地的军队，誓死守卫京师。”于谦这一正确的建议，得到吏部尚书王直、内阁学士陈循的支持，并为朱祁钰和皇太后所采纳。当时以于谦为首、以商辂、王轮、吴宁等为主干的抗战派在朝庭中占了优势，于谦便以代理兵部尚书的身分，担负起保卫京师、保护祖国的任务。
十九日，于谦请准朱祁钰，调南北两京和河南备操军士，山东和南直隶（今江苏安徽两省地）沿海备倭军士、江北和北京诸府运粮军士来守卫京师。当时通州官仓存有大量粮米，群臣建议焚毁，免得落到敌人手中。应天巡抚周忱以为仓米数百万石，足够京军吃用一年，可令守城军士自往领运进京。于谦立刻请朱祁钰命令文武京官预支本年九月到明年五月的俸粮，军士每人预支半年的饷粮，各自到通州仓领取；同时徵用顺天府大车五百辆起运通州官粮进京；并号召有车的百姓运输官粮，能从通州运粮二十石交京仓的，官给脚银一两。于谦更请朱祁钰赏给新选余丁（军户子弟候补正军的）官军、旧操舍人（军官子弟应承袭职位的）
及应募新兵每人银一两、布二疋，守城匠人、守门军伙夫和皇城四门内外官军每人布二疋。
经过于谦的策划部署，保卫京师的工作有了点儿眉目，人心渐渐安定下来。
二十一日于谦正式担任兵部尚书。在这紧急关头，以于谦为首的抗战派要求朝庭追究土木堡惨败的责任，藉以平息民愤，激励士气。当二十三日朱祁钰登临午门代理朝政时，都御史陈镒等联名奏称：王振专权祸国，死有余辜，应该诛灭全家。朱祁钰没有明确的答覆。百官大哭，跪在地上不肯起来，王振的私党锦衣卫指挥马顺从旁喝逐，给事中王竑挺身而起，抓住马顺的头发，痛叱道：“你以前帮助王振，作恶多端，今天还敢如此放肆？”百官一齐拥上，拳足交加，当场把马顺打死。王振的心腹、宦官毛贵、王长随也在当时被百官打死。
三人的尸体摆在东安门外，过往的军民都争来捶打泄愤。过了一会儿，百官又把王振的侄子、锦衣卫指挥王山捉来，大家面对着他唾骂不息，卫卒也哄动起来，一时朝班大乱。朱祁钰惧怕，打算起身退避，于谦挺身上前，拉住他的衣襟，请他立刻下令说：“王振罪大恶极，一定要诛灭他的全家；马顺等罪有应得，大家激于义愤打死他们，可以勿论。”百官方才退出。
朱祁钰接着下令将王山绑赴京市，凌迟处死；又命将王振全家无论老少，一概斩首，并抄没其家产。王振在京城内外共有私邸数处，穷极豪华，计抄出金银六十余库、玉盘百余面、六七尺高的珊瑚二十多株、马数万匹，其他币帛珠宝等物不计其数。不久，王振私党郭敬，彭德清从大周逃回，也被监禁、抄家，宦官的凶焰，暂时受到了一定程度的打击。
但这时候，瓦剌侵略军正在猖狂地围攻宣府、大同，边疆上烽火连天，明朝岌岌可危，决非在京城内打死几个宦官奸党可以济事。爱国主义者于谦，针对当前形势，毅然决然地进行一连串的活动，来解救国家的危机。
八月二十四日，于谦请朱祁钰下令褒奖宣府总兵官杨洪，因“土木之变”后，也先率军进攻宣府，胁迫明英宗命杨洪开门迎接，杨洪推称他往，不肯开门出接。当时巡抚罗亨信拿着宝剑坐在城楼上，下令说：“出城者斩。”军士也决心守城，也先无隙可乘，才引兵进去。
朱祁钰封杨洪为昌平伯。于谦又推荐石亨率领京营兵马。石亨从阳和（山西阳高县）战败逃回，贬官下狱，但石亨晓勇，所以于谦特请朱祁钰起用石亨。于谦还推荐广东莞县河泊所闸官罗通做兵部员外郎，往守居庸关；四川按察使曹泰守紫荆关。大同总兵官广宁伯刘安当也先功城时出城见明英宗，二十五日于谦请朱祁钰下令严责刘安不分真伪，听敌人诈诱；并请传谕各边镇，自此以后，皇帝车驾无论到何处，各地守将都不得轻出。于谦一面督促各边将领认真守边；一面进行保卫京城的准备工作，如催请工部赶造军器战车，运南京军器来京师，鼓励军士往通州运粮，号召人民献纳谷草，藉以充实军备。二十七日，兵部又榜示军民职官及诸色人等有能报效杀敌者，一律按功论赏，广泛地动员各阶层人民参加保卫京师、保卫祖国的斗争。
那时候，瓦剌军步步进逼，边疆人心惶惶。九月初一日，宣大巡抚罗亨信劝劾赤城堡指挥郑谦等在七月间听见瓦剌入侵的消息，弃城挈家逃走。提督守备保定等处右佥都御史段信劾前紫荆并都指挥愈事左能弃关逃走。初三日，户部奏称：“永宁等卫、隆慶等州军民，惊疑不定，越关散往昌平县。”初五日，大同总兵官广宁伯刘安从大同跑到京师，声言奏报敌情，说也先愿进其妹与明朝结亲，又说皇帝进封他为侯爵。这个愚蠢的将军，立刻遭到廷臣的弹劾，成了囚犯。同日，山西巡抚右副都御史朱监奏称："也先诡诈百端，这次入侵，掳获盔甲、器械、金、银、锦缎、牛、羊、骡、马等以数十万计，而且到处搜山，杀掠军民男妇也有数十万。日下还在关外扎营，假以结亲为由，派遣使者来窥伺我国虚实，并勾引进军（在明朝当兵的蒙古人）以为内应；也先还以送还皇帝为名，希冀我朝开关迎接，以便侵入关内。”以上情形说明了从土木战败时起直到九月初旬，明朝边境防务的混乱，也说明了瓦剌侵略者的残暴和毒辣。
九月初六日，朱祁钰在群臣推戴之下做了皇帝，他就是明景帝。在八月十五日到九月五日这二十天内，明朝没有君主，朱祁钰摄行政事。虽然他对敌人表示畏惧，但是他信任并重用主张坚决抗战的大臣，排斥逃跑、妥协的官僚，在军事、政治方面采取了若干紧急措施，扭转了十分危急的局势。他终于决定抗战，自然是从维护整个上层统治集团特别是他本身的利益出发的，但这和当时人民的利益是一致的。因此，他继续做了皇帝，在一定程度上起了稳定中央集权国家的作用，而有利于反抗外族侵略的战争的进行。
初七日，于谦推荐辽东都指挥范广任左副总兵，协同石亨教练京营兵马；又调山东都指挥韩青协守紫荆关。十五日，于谦推荐大同副总兵郭登充总兵官，代替刘安镇守大同。大同在“十木之变”后，守军多战死，城门昼闭，人心惶惶。也先曾于八月间挟制明英宗命大同守将开城，郭登坚决不开，袁彬用头撞城门，郭登声称：“奉命守城，不知其他。”此后郭登加紧修筑城墙、补充军械；由于兵力不足，他招募义勇防守大同城，紫荆、倒马二关也用民兵防守。他很爱护部下，会亲自为伤兵里伤员送药。他对军民宣誓，要与城共存亡。他依靠军民，积极加强边防，在抗击瓦剌的战争中有很大的功劳。
九月二十二日，于谦劾管带三千营的忻城伯赵荣不赴营操练，以致士卒喧哗，行伍错乱，军容不整，纪律全无，请治其罪。明景帝下令逮捕赵荣下狱，另派都督佥事孙镗代理军务。于谦除将京营军严加整顿外，还选拔新进将领如卫颖、张軏、张仪、雷通等，分守九城。
二十三日，明廷下令修筑龙门、独石、居庸、紫荆一带沿边大小关隘。二十四日，命令各边守将招募壮士；又因瓦剌军掳去大量明军衣甲、旗帜，特命改制新的，以便识别。二十七日，命监察御史白圭，李宾和侍讲徐珵等十五人分往北直隶、山东、山西、河南各府县招募民壮，就由当地卫所加以训练，听候调遗。同时，明朝也注意防范间谍的刺探军情，对于达官、达军，或赏给银帛，或调往江南。经过抗战派一个多月的努力，京城内外以及边塞各地的防务得到了整顿，到了九月底，明朝的军事力量和抗战阵容就大大改观了。
瓦剌见明朝已另立皇帝，没有讲和的意思，就大举进攻。明朝有个太监喜宁，原是鞑靼人，在土木之役中投降瓦剌，把中国虚实完全告诉也先。这时他便做了瓦剌军的向导。十月初一日，也先和脱脱不花汗率领瓦剌军主力，挟持着明英宗，掠过大同城东门外，声称要夺取“大都”，逼使明朝南迁。瓦剌别部骑兵二万余从古北口进犯密云。初三日，也先军前锋抵紫荆关北口，攻势猛烈。这时明朝兵部造了一种赏功牌，分奇功、头功、齐力三等，鼓励将士卫国杀敌。初四日，瓦剌别部三万骑掠宣府，过洪州堡，进窥居庸关，又转攻白羊口（在居庸关西南），这时大风扬沙，不辨人马，守将谢泽战死，白羊口被攻陷，边报紧急。
初五日，明廷诏令宗室储王急率精兵勤王。初六日，兵部奏称在京城募得壮士五百三十余名，其中有许多人是自愿自备鞍马杀敌的，明廷命编入京营，准备作战。初八日，明景帝命于谦提督各营军马，将士都受于谦节制；又释刘安等出狱，协守京城。于谦调遣诸将，分领官军二十二万人，列阵于京师九门外：武清伯石亨率副总兵范广、武兴等列阵德胜门外，石亭并节制守城诸军；都督陶瑾列阵安定门；广宁伯刘安列阵东直门；武进伯朱瑛列阵朝阳们；都督刘聚列阵西直门；副总兵顾兴祖列阵阜城门；都指挥李瑞列阵正阳门；都督刘得新列阵崇文门；都指挥汤节列阵宣武门。
初九日，瓦剌军攻破紫荆关。紫荆关曾被攻数天，都指挥韩青出击战死，右副都御史孙祥坚守，投敌太监喜宁引导瓦剌军越山岭，两面夹攻，孙祥督兵巷战，壮烈牺牲。于是瓦剌军从紫荆关和白羊口两路进攻京师。当时诸将对战守的策略议论纷纷，兵马司建议完全拆毁九门外军民房屋以便屯兵；都督王通主张在京城外挑筑深濠；总兵官石亨提让全军退守城内，坚壁清野，以避敌人锋芒。于谦坚决主张出域迎击，他说：“为什么在敌人面前示弱，使得敌人越发轻视我国呢？”于谦命兵部侍郎吴宁代理部事，亲自率军布阵于德胜门外，准备抗击瓦剌的主力军，他下令：“有盔甲的军士，今日不出城的斩首。”各部军队在城外布防就绪后，于谦下命将各城门关闭，并颁发临阵军令：“临阵将不顾军先退者，斩其将；军不顾将先退者，后队斩前队，”于谦身披甲胄，脸上挂着眼泪，以杀敌报国的道理晓谕三军，将士都很感动。当时明军士气旺盛，军容严整，大非前时可比。
十月十一日，瓦剌军进逼京师，列阵西直门外，置明英宗于德胜门外。当日于谦派副总兵高礼、毛福寿等迎击瓦剌军于彰仪门土城北，败其先锋，斩数百人，军威大振。夜里更派薛斌等潜袭敌营，有所收获。此次也先入侵，非常骄横，想在几天之内夺取北京，及见明军严阵相抗，才知道事情没有这么容易。投敌太监喜宁教也先藉口讲和，要明廷派大臣迎接明英宗。十二日，明廷派右通政王復、太常少卿赵荣出城见明英宗于土城，也先以王復等系小官，不与接谈，教明廷派于谦、石亨、胡濙等往瓦剌军营谈判，并索大量金帛。明景帝意志动摇，倾向讲和，派人问于谦，于谦坚持主张抗战，不同意派遣使臣。
十三日，瓦剌军进犯德胜门。于谦命石亨伏兵于民间空屋内，另派小队骑兵佯败诱敌，瓦剌精骑万余遂来攻城，于谦令神机营发火器迎击，副总兵范广跃马冲入敌阵，勇气百倍，石亨伏兵骤起，前后夹击，大败敌军于城下，也先弟孛罗、平章卯那孩等中炮死。敌军转攻西直门，都督孙镗击斩其前锋，敌人增兵围攻孙镗，孙镗力战不支，城上守军发炮助战，同时石亨军德胜门赶到，敌军乃退往郊外。十四日，于谦更派副总兵武兴、都督王敬等率军迎击瓦剌军于彰仪门外，明军前队用神铳冲击，后队列弓弩刀剑前进，敌军主力已被击退，而明景帝所派的监军太监要想争功，领着数百匹骑马抢前，明军阵乱，武兴中流矢死，敌军又反攻到土城。这时京师居民配合官军奋勇阻击，他们爬到屋上，飞投砖石打击敌军，喊声震动天地。佥都御史王竑和毛福寿、高礼也率兵来援，敌军望见明军旗帜，又仓皇退去。
战争相持了五天，瓦剌军受到坚强的反击，死伤很多，士气低落。也先前阻坚城，后遭民兵的袭击，显得很狼狈；又听说各地的勤王兵就要到来，恐怕自己的归路被截断，打算撤兵出关。另外瓦剌别部五万骑，围攻居庸关，天气骤寒，守将罗通命汲水灌城，结冰坚滑，瓦剌军不得近城，两军交战七昼夜，瓦剌军败退，罗通追击，斩获很多。也先闻报，更加沮丧。十五日夜间，也先拔营潜退，于谦立刻令石亨等乘夜率军追击，并发大炮轰击敌营，瓦剌军死者万余人，也先向良乡方面退去。十七日，也先拥明英宗出紫荆关，沿路娆杀掳掠，又分遣各部刼掠河北各州县。于谦另派范广、孙镗等追击瓦剌军，二十四日，孙镗、范广等击败敌军于固安。宣府守将杨洪率兵二万来援京师，到达京师时，也先已经败退，杨洪率兵扫除残敌，击败瓦剌军于霸州，擒获敌将阿歸等四十八人，夺回被掳人口万余、牲畜无数。
和京师军民奋勇抗击瓦剌军的同时，北方各地人民也纷纷拿起武器，与敌人展开猛烈的战斗。例如：瓦剌军攻犯紫荆关时，灵邱、蔚州，广昌（今河北涞源县）一带人民立刻连结山寨，抵抗瓦剌军，并夺回被掳妇女。十月十三日，明廷曾派官“招抚”
山寨，发粮食给夺回的妇女，送她们回原籍。瓦剌军抄掠畿南各地时，真定府安平县老人郭弘、生员郭清等十六人，斩获瓦剌军七人，并夺得盔甲器械等物，于十一月初三日来京呈献。明廷任命郭弘做判官、郭清等做正副巡检。又河北南部各州县的民壮也都结集起来，保卫乡土，如王伟集民壮守赝平，于谦荐他做兵部职方司郎中，教他帮同处理军务。广大人民奋起杀敌，严重地威协了南侵的瓦剌军；
同时明朝政府在以于谦为首的抗战派执政下，也采取了联合人民力量的政策，上下一心，坚决抗战，保卫京师的战争终于获得了胜利。