正统十四年（1449）七月，王振挟明英宗亲征瓦剌。朝中大臣虽然极力反对，但王振一意孤行，率领临时调集的大军匆忙出征了。当时于谦被命留守京师，代兵部尚书邝埜管理兵部事务，辅佐留守的■王朱祁钰。 　　八月中旬，英宗率领的出征队伍全军覆灭于土木堡，皇帝也被俘虏。败报传到明廷，立时陷入一片混乱之中。八月十八日，孙太后命■王监国，召集群臣商议对策。侍讲徐珵首先出来，倡议南逃，群臣竟面面相觑，无人敢言战守。这时候，于谦挺身而出，厉声斥责徐珵，一语唤醒了满朝文武大臣，得到孙太后、■王的支持，明廷因而把抗击瓦剌、保卫北京、捍卫明朝的重任交给于谦。于谦也慨然以天下为己任，尽心竭力，迅速采取一系列有力措施，集中大批人力物力，充实北京地区的防御力量，很快就安定了人心。十月，也先挟英宗率瓦剌大军再次大举南犯，兵临北京城下。于谦面对强敌，毫无所惧，沉着冷静，指挥若定，有勇有谋，与敌军激战五昼夜，终于打败瓦剌，迫使也先退回塞外，使明朝转危为安。 　　明廷获胜后，论功行赏，于谦功劳最大，景帝特加授他少保，仍总督军务、兵部尚书。石亨则被封为武清侯，其余文臣武将也有升赏。面对封赏，于谦却诚心辞让，他说：“四郊多垒，卿大夫之耻也，敢邀功赏哉！”他首先想到的不是个人的名利地位，而是国家的安危。他把胜利归功于将士们，自己却开始考虑如何去加强北边的防务了。 　　于谦首先加强京师的防卫力量。他调辽东和宣府的部分兵马入京，调名将杨洪和守居庸关有功的罗通回京，操练京军。然后，他放眼全国，派佥都御史萧启等镇守保定、河间、真定诸府，命刑部侍郎耿九畴去南直隶整顿江南江北卫所军，招徕流民进行屯种，荐左都督朱谦代杨洪镇守宣府，王竑守居庸关，派顾兴祖、刘安、刘聚等修筑北边关塞要隘。 　　当时，投降瓦剌的太监喜宁和降军小田儿屡次导引也先南下侵扰，甚至建议也先拥英宗至南京，另立朝廷，与景帝对抗，或夺取山东临清，截断漕运，卡住明廷的咽喉。于谦对此深恶痛绝，密令大同将领擒住喜宁，授计兵部侍郎王伟诱斩小田儿于阳和城外，并力劝景帝杀掉喜宁。 　　面对也先的骚扰，于谦从容镇定，运筹帷幄，多次击败敌人。于是，也先改变策略，派三名使者至大同，要求明廷遣使讲和。大同参将许贵将此事报告给了朝廷后，明廷发生动摇。于谦坚决主张采取强硬态度，反对议和。他说：“前遣指挥季铎、岳谦往，而也先随入寇。继遣通政王复、少卿赵荣，不见上皇而还。和不足恃，明矣。况我与彼不共戴天，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，而恇怯如此，何以敌忾，法当诛。”随后，他又移檄切责许贵。从此，边将人人只知战守，没有再敢主张讲和的了。 　　于谦对也先的诱降、胁和、反间等种种阴谋诡计，一一予以击破，捍卫了明朝。瓦剌军则因屡次失败，死伤人数不断增加，厌战情绪日益滋长，也先与脱脱不花、阿剌知院之间也因分赃不均而导致原有的矛盾不断加深。也先见明朝无机可乘，求和之心日盛。 　　景泰元年（1450）六月，阿剌遣使者来议和，表示也先愿归还上皇议和。明朝大臣对此反应很热烈，纷纷要求景帝派使臣迎还上皇。但景帝唯恐失去帝位，不愿迎请英宗，对群臣说：“朕本不欲登大位，当时见推，实出卿等。”于谦则从容回答说：“天位已定，宁复有他，顾理当速奉迎耳。万一彼果怀诈，我有辞矣。”听到于谦的话，景帝才放下心来，顾而改容道：“从汝，从汝。”不久，英宗终于被接回北京。但景帝对此仍深怀戒心，将英宗软禁在皇城内的南宫中。