正统十四年（1449年）秋，瓦剌首领也先率军大举进犯明朝，明英宗在宦官王振的蛊惑下率大军御驾亲征。当年八月，明军主力在土木堡被瓦剌军队聚歼，明英宗也被俘虏。也先乘明军主力溃散、皇帝被俘、朝堂混乱之机，又率大军挟持明英宗继续南侵，试图攻占明都城京师，迫使明朝投降。
当土木堡之变的消息来传到北京后，明朝朝廷一片混乱，文武大臣束手无策，史载“群臣聚哭于朝”。八月十八日，皇太后命明英宗的弟弟郕王朱祁钰监国并召集朝臣商议战事，以徐有贞（当时名珵）为首的部分大臣主张迁都南京，在这关键时刻遭到兵部侍郎于谦的严词驳斥，史载：“侍讲徐珵言星象有变，当南迁。谦厉声曰：“言南迁者，可斩也。京师天下根本，一动则大事去矣，独不见宋南渡事乎！”王是其言，守议乃定。”(《明史》（卷170））
在内阁廷议中，吏部尚书王直、内阁学士陈循等人都赞同于谦固守北京的意见，然而当时明军的精锐部队在土木堡死伤殆尽，人心不安，“时京师劲甲精骑皆陷没，所余疲卒不及十万，人心震恐，上下无固志。谦请王檄取两京、河南备操军，山东及南京沿海备倭军，江北及北京诸府运粮军，亟赴京师。以次经画部署，人心稍安。即迁本部尚书。”(《明史》（卷170））在这危急时刻，力主抗敌的于谦上疏积极备战，随后被升为兵部尚书并全权负责筹划京师防御。
也先在南下的时候胁持明英宗一同前往，意图动摇人心，“帝既北狩，道宣府，也先传帝命趣开门。城上人对曰：“所守者主上城池。天已暮，门不敢开。且洪已他往。”也先乃拥帝去......时景帝已即位，驰使报洪：“上皇书，伪也。自今虽真书，毋受。”（《明史》（卷173））为打破瓦剌借明英宗要挟朝廷的阴谋，群臣向皇太后上疏改立郕王为新帝，并以被俘的朱祁镇为太上皇，“初，大臣忧国无主，太子方幼，寇且至，请皇太后立郕王。王惊谢至再。谦飏言曰：“臣等诚忧国家，非为私计。”王乃受命。”（《明史》（卷170））郕王随后即位为帝，即明代宗。
十月初一，瓦剌兵分三路大举南侵。东路军二万人从古北口方向进攻密云，中路军五万人从宣府方向进攻居庸关，也先亲自带领主力西路军十万人自集宁经大同、阳和，先后攻陷白羊口、紫荆关，然后长驱直入直逼北京。瓦剌逼近后京城戒严，景帝下令于谦统领各路军队负责一切作战事宜，“帝深纳之。十月敕谦提督各营军马。”（《明史》（卷170））
于谦在部署战事的时候否决了总兵官石亨坚壁清野的提议，他认为这是向瓦剌示弱，下令各军在京师九门城外列阵迎敌。“亟分遣诸将，率师二十二万，列阵九门外：都督陶瑾安定门，广宁伯刘安东直门，武进伯朱瑛朝阳门，都督刘聚西直门，镇远侯顾兴祖阜成门，都指挥李端正阳门，都督刘得新崇文门，都指挥汤节宣武门，而谦自与石亨率副总兵范广、武兴陈德胜门外，当也先。”此外，为了保持战斗士气，于谦还下达了著名的战场连坐法：“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。”（《明史·卷170·于谦传》）最终朝廷上下一心全力备战。
也先到达北京城之后发现明军戒备严密，遂心生退意，但投降也先的明朝太监喜宁唆使也先要求明朝派人迎接已经成为人质的朱祁镇，企图乘机抓获于谦等人使得明军失去领导不战自溃，但明军在景帝的旨意下置之不理。“初，也先深入，视京城可旦夕下，及见官军严阵待，意稍沮。叛阉喜宁嗾使邀大臣迎驾，索金帛以万万计，复邀谦及王直、胡濙等出议。帝不许，也先气益沮。”（《明史》（卷170））
十月十一日，也先首先发动进攻。明军先是在德胜门诱敌深入，然后以神机营的火器和伏兵发动反击击败瓦剌军队，也先的弟弟孛罗、平章卯那孩先后被打死。随后瓦剌军不得已改为攻击西直门，都督孙镗在石亨的援助下也击退瓦剌军。瓦剌军队在德胜门和西直门先后失利，随后又在彰义门被军民联合击退，当明朝各路援军逼近京师之后，感到大势已去的也先被迫率军撤退，史载“相持五日，也先邀请既不应，战又不利，知终弗可得志，又闻勤王师且至，恐断其归路，遂拥上皇由良乡西去。谦调诸将追击，至关而还。”（《明史》（卷170））
而在居庸关方面，守将罗通利用严寒的天气用水灌城使得城墙墙壁结冰，瓦剌军队的连续攻势都被击退。瓦剌军队进攻不利，部队厌战心理高涨，也先于是在十月十五日夜里下令撤出关外，到至十一月初八时完全退出塞外，明朝取得了北京保卫战的胜利。
京师保卫战明军获胜使明朝度过了一次严重的危机。第二年，明代宗改元景泰，也先见所俘的英宗失去利用价值，于是派遣使者与明朝议和，答应释放明英宗返回并与明朝恢复朝贡贸易关系。但景帝害怕自己的皇位不保，不愿接回英宗，最后勉强接回朱祁镇。太上皇朱祁镇一回宫就被困于南宫（今南池子）软禁，皇太子朱见深也被废掉（明英宗之子，后来继位为明宪宗），景帝自己的儿子朱见济为被立为太子。明英宗、景帝兄弟因而严重对立，最终引发了“夺门之变”。.
明朝北京保卫战稳定了土木堡之变后一片混乱的大明，可以看出这个时候的明朝虽已失去永乐年间的进取之心，但国家上下尚能团结一致、戮力抗敌，再看看晚明时期的一片狼藉，令人扼腕不已。
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