九月六日，朱祁钰在群臣的拥立下即位，史称明代宗，尊英宗为太上皇。朱祁钰虽然年轻，但是非常信任主张抗战的大臣，采取有效措施，迅速扭转了危险的局势，受到了军民的拥护。也先听到明朝立了新皇帝后，十分扫兴，手里的王牌成了没用的太上皇。这时投敌叛变的太监喜宁建议也先趁着明朝刚立新帝，内部不稳时进攻北京。十月初，也先纠集各路兵马带着英宗大举南侵。朱祁钰接到军报后命于谦提督各营军马，统一指挥。面对军中的不同意见，于谦坚决主张出城迎敌，他命令兵部侍郎吴宁驻守城内，处理一切事务，自己出城布阵于德胜门外，亲自迎击瓦剌主力。此时京城共有将士二十二万人，分别列阵与京城九门之外，准备迎敌。一场决定大明王朝命运的大战即将开始。
十月九日，于谦下令紧闭京城九门，作战期间一律不得开门，临阵退缩者，斩。此时，将士手握刀枪，严阵以待，他们只有奋勇杀敌，击退敌军才能有一线生机。十一日黎明，瓦剌军的前锋到达西直门外，于谦立刻派出副总兵高礼、毛福寿迎头痛击，短暂交锋过后斩敌军数百人，生擒头目一人。首战告捷，军心振奋，当天夜里于谦又派出精兵袭击瓦剌营地，大有斩获。也先本想趁势迅速攻下北京城，但是一天之内连吃败仗，锐气以挫。
进退两难的也先，于十三日全力进攻德胜门，于谦亲自督战，命令石亨伏兵于民房内，以小队骑兵诱敌，敌军万余精骑前来攻城时，伏兵齐起截断敌人退路。副总兵范广从正面迎击，火炮、火铳齐发，也先的弟弟孛罗和大将毛那孩先后中炮阵亡。敌人残军于败退后转攻西直门，企图侥幸一胜，正遇到明军都督孙镗的队伍，当即予以迎头痛击，石亨也从德胜门赶到，前后夹攻，城上守军也发炮助战，敌军受到重创，溃不成军从，仓皇败退。这是两军自土木堡之役以来，头一次大规模正面交锋，也先的主力军就损兵折将，从此一蹶不振。
次日，于谦派副总兵武兴、都督王敬主动出击，先后猛攻瓦剌军营。瓦剌军拼命抵抗，在激战中，武兴被流矢射中阵亡，明军小挫。但是附近的百姓得到消息后，自发前来支援，用砖石猛击敌人，由佥都御史王竑和副总兵高礼、毛福寿率领的援兵及时赶到，四面猛攻，敌人全面溃退。
从十一日到十五日，战事相持了五天，瓦剌的进攻受到坚决的反击，死伤惨重。也先觉得攻城无望，有探听到明朝各路勤王兵马就要来到，自己的后路很可能被切断，无奈之下决定撤兵。十五日夜间，瓦剌军全部撤退，早已准备好的明军将士马不停蹄，连夜猛追，在霸州附近追上了瓦剌兵，夺回了被虏走的一万多明朝百姓和大批的牲口。十七日，也先残军狼狈逃出紫荆关，退回漠北。
北京保卫战一共只有五天，就是这短短五天，于谦和他领导的众将士团结一心同仇敌忾，挽救了大明王朝。
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