初九，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。

于谦下令“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。”

十月十一日，瓦剌军抵达北京城下，列阵西直门外，把英宗置于德胜门外空房内，企图迫使明军献城。于谦暂隐主力，采用小部兵力处处袭击，搅乱敌军。当天晚上，高礼、毛福寿在彰义门北迎击瓦剌军，杀敌数百人，军威大振，迫使瓦剌军不敢贸然进攻。也先采纳喜宁的建议，借议和诱于谦等人前往迎驾，乘机擒获，明军将无首而溃。于谦一方面派王复、赵荣去瓦剌军营进见英宗，另一方面针对朝廷有些人想议和的心理提出现在只管备战，其他一概不闻。也先议和的阴谋没有得逞。

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，范广出其不意，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战。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，孙镗尽力拼杀，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。

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。明军神铳、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。

而进攻居庸关的5万瓦剌军，因天气寒冷，明守将罗通汲水灌城，墙壁结冰，瓦剌军无法进攻。经过7天的战斗，瓦剌军的进攻均被击退。罗通三次出关追击，斩敌无数。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，二十四日、二十五日明军在霸州(今河北霸县)、固安等地大败瓦剌军。至十一月初八日，瓦剌军退出塞外，京师解围。京师保卫战取得了辉煌的胜利。

明军巧妙运用多层设防、背城决战、机动作战、要点防御等不同的作战样式，击败了自恃强大的瓦剌军，稳固了明王朝的统治，创造了中国战争史上城市防御作战的经典战例。多层设防是这次战争的精彩体现。