接着，他分派将领带兵出城，在京城九门外摆开阵势。
于谦在城外把各路人马布置好后，他亲自率领一支人马驻守在德胜门外，叫城里的守将把城门全部关闭起来，表示有进无退的决心。并且下了一道军令：将领上阵，丢了队伍带头后退的，就斩将领；兵士不听将领指挥，临阵脱逃的，由后队将士督斩。
将士们被于谦的勇敢坚定的精神感动了，士气振奋，斗志昂扬，下决心跟瓦剌军拼死战斗，保卫北京。
这时候，各地的明军接到朝廷的命令，也陆续开到北京支援。城外的明军增加到二十二万人。
明军声势浩大，戒备森严，也先发动几次进攻，都遭到明军奋勇阻击。城外的百姓也配合明军，跳上屋顶墙头，用砖瓦投掷敌人。经过五天的激战，瓦剌军死伤惨重。
也先遭到严重损失，又怕退路被明军截断，不敢再战，就带着明英宗和残兵败将撤退。于谦等明英宗去远了，就用火炮轰击，又杀伤了一批瓦剌兵。北京城保卫战，取得了辉煌的胜利。
于谦立了大功，受到了北京军民的爱戴。明代宗十分敬重他。于谦家的房屋简陋，只能遮蔽风雨，明代宗给他造一座府第，于谦推辞了。他说：“现在正是国难当头的时候，怎么能贪图享受呢？”
也先失败后，知道扣住明英宗也没有用处。就把明英宗放回北京。
于谦一心保卫国家，但是那个在北京危急的日子里主张逃跑的徐有贞，还有被于谦责备过的大将石亨，都对他怀恨在心，在暗地里想法报复。
英宗回北京后过了七年，也就是公元1457年，明代宗生了一场大病，徐有贞、石亨跟宦官勾结起来，带兵闯进皇宫，迎明英宗朱祁镇复位。历史上把这件事称作“夺门之变”。没多久，明代宗就死了。
明英宗复位后，对于谦在他被俘流亡的时候，帮他弟弟即位称帝，心里本来有气，再加上徐有贞、石亨一伙在他面前说了不少诬陷的话，竟下了狠心，给于谦加上个“谋反”的罪名，把于谦杀害。
北京的百姓听到于谦受冤被害，不论男女老少，个个伤心痛哭。人们传诵着于谦年轻时候写的一首《咏石灰》的诗：
“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。
粉骨碎身浑不怕，要留清白在人间！”
人们认为，这正是于谦一生的写照。