瓦剌军队在一系列的战斗中被步骑协同的明军所挫败，就连也先的弟弟孛罗与平章卯那孩等贵族都中弹而死，只得黯然而退。
具有丰富作战经验的瓦剌军队立即调整作战部署，实行"避实击虚"之策，利用骑兵快速突击能力强的特点转而进攻西直门。明军都督孙镗奋力斩杀敌军先锋数人，但抵抗不住对方的猛烈攻击而失利，被迫撤回并急叩城门请求入内休整。
这时， 给事中程信正在西直门的城楼上督战，他认为孙镗所部虽然受挫，但实力仍在，因而拒绝开门接纳。
孙镗不得不屯兵于城外，让手下背靠着城墙继续与追兵苦战。城楼上的程信没有袖手旁观，他与都督王通、都御史杨善等人指挥城头的部队一边呐喊助威，一边用枪炮等火器往下射击，以助城外军队一臂之力。
不久，明将毛福寿、高礼奉命赶来增援。在混战中，高礼身中一箭，可见战况之激烈。正在双方打得难解难分的时候，石亨这支生力军及时引兵杀到，终于击退了敌人。
他们等到瓦剌军队杀到，先以神机铳猛烈射击，然而就在瓦剌军队将溃未溃之际，阵后的骑兵为了抢功，争先恐后地涌上前来，致使现场一片混乱。
瓦剌军队乘虚而入，以全力杀了个回马枪，用乱箭射死了指挥官武兴，将明军打得大败而逃。这生动地说明了明军火器部队野战中如果没有得到骑兵有效的配合，仅靠自身的力量很难与敌人的铁骑抗衡。
眼看反攻的瓦剌骑兵就要逼近彰义门的城门。在这个紧急关头，城中的居民纷纷主动参战，他们登上高处，用砖石投掷围城之敌，喊杀之声震天响。
提督军务的佥都御史王竑、都督毛福寿率领援兵如旋风一般赶到，但等他们来到战场，却扑了一个空。原来，瓦剌骑兵远远望见他们的旗帜便主动撤走了。
也先围城五天，不但在正面战场上损兵折将，而且派到周围抢掠的人员也不断遭到老百姓自发的攻击，他心知无法迅速克城
又担心后路被明军各地的勤王之师切断，不得不在十五日夜间挟持着明英宗后撤，经紫荆关、猫儿庄向塞外退去。蒙古自退出中原之后首次大规模反攻敌人的首都就这样草草结束了，"还我大都"的口号也成了一句空话。
北京保卫战的胜利只不过是明军由盛转衰时的一次回光返照，此后，这支军队再也未能重现洪武、永乐年间那种"金戈铁马， 气吞万里如虎"、横扫蒙古草原的风采。朝廷继续维持战略防御的政策，即使偶尔出击塞外，其规模也是有限的。
