1449年八月十六日，明軍主力在土木堡遭遇慘敗，明英宗也被俘，土木之變使明王朝遇到嚴重的危機。危急之時時任兵部尚書的于謙加強戰備。八月十八日，皇太后命郕王朱祁鈺監國。 京城大官富戶紛紛南逃，有的大臣也主張南遷。于謙、陳循、王直堅決反對，主張保衛京師為天下根本。于謙臨危受命，任兵部尚書。朱祁鈺九月六日即帝位，遙尊明英宗為太上皇，以明年為景泰元年。也先挾明英宗要挾明廷之計不逞，遂於十月率大軍進犯北京。十月十一日瓦剌軍抵北京城下，列陣西直門外，把明英宗放置在德勝門外空房內。十三日，于謙、石亨率軍與瓦剌軍戰於德勝門外，瓦剌軍大敗。隨後又轉戰至西直門進攻明軍，也被明軍擊退。瓦剌軍不甘失敗，又在彰義門組織進攻，明軍佯裝失利，瓦剌軍追到土城，被潛伏在民居內的明軍火槍手阻擊，死傷無數，不得推進。加上天寒地凍，京師外圍守軍的奮力抵抗，到十一月八日，瓦剌軍退出塞外，京師解嚴。
八月二十三日，于謙等人針對當時的危急局面，採取了一系列措施，首先，誅除宦黨，平息民憤。明廷將招致土木堡之變的罪魁禍首王振抄家滅族，打擊宦黨的氣焰，初步穩定了內部;其次，八月二十九日，文武百官請皇太后改立監國郕王為帝，史稱明代宗或景帝。遙尊被俘的明英宗為太上皇。當時，也先挾明英宗作為攻城略地的政治工具。于謙提出"社稷為重，君為輕"的口號。擁立朱祁鈺即位，是為明代宗，這樣即使也先的陰謀不能得逞。再次，舉薦人才，調兵遣將，妥善安排。原大同副將石亨在"土木堡之戰"中戰敗，單騎逃回，被貶官下獄。于謙認為，世界上沒有常勝將軍，而且戰敗的主要責任不在他。於是將其釋放，並委任以京師總兵官的重任，統一指揮京師步兵部隊。在後來的北京保衛戰中，石亨指揮有方，英勇作戰，戰果顯著。"論功，亨為多，晉侯"。同時，另以名將指揮京城的火器部隊、騎兵部隊和鎮守大同、宣府、居庸關、紫荊關等重要關口，並嚴懲了一批貪生怕死、翫忽職守的將校。另外，于謙還改革了軍制，把傳統的"三大營"改為10個團營，使其更加適應防禦作戰的需要。經過一個多月的整軍備戰，明軍兵精糧足，士氣大振，嚴陣以待。
于謙認為，土木堡之戰的失利，犯了許多兵家之大忌，其中後勤保障沒搞好是重要原因。20萬明軍長期在風雨中輾轉，軍糧不備、軍械不習、運輸不及時，連唯一的飲用水源都被切斷，在人飢馬渴的情況下，是不能打勝仗的。因此，于謙上任後，首先實行正確的後勤方略，從人力、物力、財力等各方面做好後勤準備。在人力準備方面，著重整頓、充實京軍。京軍的主力在土木堡之戰中覆沒後，京城只剩下部分守城部隊。為了迎接戰鬥，于謙重組京軍。他急調兩京、河南的備操軍，沿海的備倭軍，江北及北京諸府運糧的官軍，以及浙江兵來到北京，使京城兵力由數萬人迅速增加到22萬多人，形成了兵力數量上對於瓦剌軍隊的優勢。並派監察御史白圭等15名重要官員，前往京畿、山東、山西、河南等地招募兵員，進行應急訓練，以備補充。
在發動群眾支前方面，于謙將全城軍民都動員起來，備戰備荒。城內的木土、瓦匠、石匠等統一編成工程隊，進行訓練。籌集了大量磚石、木材、石灰、工具等，以備戰時急用。組織力量加固北京周邊45裡的城牆，增修了京城的崇文、正陽、宣武、東直、朝陽、西直、阜成、德勝、安定9門，特別是城北的德勝門、安定門，城西的西直門和阜成門，把城內側由土築改為磚砌，並深浚了城壕，加強了城防。同時，命令工部組織人員在城牆堞口設置門扉，在城東、西、南面城牆上綁上沙欄木，共設置門扉11000餘個、沙欄木長5100餘丈，進一步增強了北京城池的防禦性能。為了進一步發動群眾，于謙還傳檄京城周圍的州縣和山西、河北等地民眾，拿起武器，視情況打擊瓦剌軍隊，切斷其後路。
也先在進攻北京的過程中，到處遭到軍民的抵抗和不斷襲擊。各地的百姓自動組織起來，抗擊瓦剌軍的掠奪。北方邊陲重鎮的守兵，也抱著與城共存亡的決心，誓死保衛國土。也先進攻北京各門屢次遭到失敗，中路軍在居庸關的進攻也受挫，並獲悉明朝各路援軍即將到達。唯恐後路被切斷，便於十五日夜率一部人馬，挾持英宗朱祁鎮由良鄉向紫荊關撤退。于謙發現也先軍隊正在撤退，即命令石亨等集中火炮轟擊也先軍營，炸死瓦剌軍一萬餘人。瓦剌軍在撤退的路上，一路燒殺搶掠，掠奪了許多物資和人口。而明軍分路追擊;石亨大破瓦剌軍於清風店，範廣在固安打敗瓦剌軍。也先一路狂逃，十月十七日，撤出紫荊關，不久退往關外。東路的脫脫不花軍，聞得中路、西路已敗，亦立即撤退，並於十月二十日單獨遣使進貢，來北京議和。至此，明軍取得了保衛北京的勝利。
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