1449年八月十六日，明军主力在土木堡遭遇惨败，明英宗也被俘，土木之变使明王朝遇到严重的危机。危急之时时任兵部尚书的于谦加强战备。八月十八日，皇太后命郕王朱祁钰监国。 京城大官富户纷纷南逃，有的大臣也主张南迁。于谦、陈循、王直坚决反对，主张保卫京师为天下根本。于谦临危受命，任兵部尚书。朱祁钰九月六日即帝位，遥尊明英宗为太上皇，以明年为景泰元年。也先挟明英宗要挟明廷之计不逞，遂于十月率大军进犯北京。十月十一日瓦剌军抵北京城下，列阵西直门外，把明英宗放置在德胜门外空房内。十三日，于谦、石亨率军与瓦剌军战于德胜门外，瓦剌军大败。随后又转战至西直门进攻明军，也被明军击退。瓦剌军不甘失败，又在彰义门组织进攻，明军佯装失利，瓦剌军追到土城，被潜伏在民居内的明军火枪手阻击，死伤无数，不得推进。加上天寒地冻，京师外围守军的奋力抵抗，到十一月八日，瓦剌军退出塞外，京师解严。
八月二十三日，于谦等人针对当时的危急局面，采取了一系列措施，首先，诛除宦党，平息民愤。明廷将招致土木堡之变的罪魁祸首王振抄家灭族，打击宦党的气焰，初步稳定了内部;其次，八月二十九日，文武百官请皇太后改立监国郕王为帝，史称明代宗或景帝。遥尊被俘的明英宗为太上皇。当时，也先挟明英宗作为攻城略地的政治工具。于谦提出"社稷为重，君为轻"的口号。拥立朱祁钰即位，是为明代宗，这样即使也先的阴谋不能得逞。再次，举荐人才，调兵遣将，妥善安排。原大同副将石亨在"土木堡之战"中战败，单骑逃回，被贬官下狱。于谦认为，世界上没有常胜将军，而且战败的主要责任不在他。于是将其释放，并委任以京师总兵官的重任，统一指挥京师步兵部队。在后来的北京保卫战中，石亨指挥有方，英勇作战，战果显著。"论功，亨为多，晋侯"。同时，另以名将指挥京城的火器部队、骑兵部队和镇守大同、宣府、居庸关、紫荆关等重要关口，并严惩了一批贪生怕死、玩忽职守的将校。另外，于谦还改革了军制，把传统的"三大营"改为10个团营，使其更加适应防御作战的需要。经过一个多月的整军备战，明军兵精粮足，士气大振，严阵以待。
于谦认为，土木堡之战的失利，犯了许多兵家之大忌，其中后勤保障没搞好是重要原因。20万明军长期在风雨中辗转，军粮不备、军械不习、运输不及时，连唯一的饮用水源都被切断，在人饥马渴的情况下，是不能打胜仗的。因此，于谦上任后，首先实行正确的后勤方略，从人力、物力、财力等各方面做好后勤准备。在人力准备方面，着重整顿、充实京军。京军的主力在土木堡之战中覆没后，京城只剩下部分守城部队。为了迎接战斗，于谦重组京军。他急调两京、河南的备操军，沿海的备倭军，江北及北京诸府运粮的官军，以及浙江兵来到北京，使京城兵力由数万人迅速增加到22万多人，形成了兵力数量上对于瓦剌军队的优势。并派监察御史白圭等15名重要官员，前往京畿、山东、山西、河南等地招募兵员，进行应急训练，以备补充。
在发动群众支前方面，于谦将全城军民都动员起来，备战备荒。城内的木土、瓦匠、石匠等统一编成工程队，进行训练。筹集了大量砖石、木材、石灰、工具等，以备战时急用。组织力量加固北京周边45里的城墙，增修了京城的崇文、正阳、宣武、东直、朝阳、西直、阜成、德胜、安定9门，特别是城北的德胜门、安定门，城西的西直门和阜成门，把城内侧由土筑改为砖砌，并深浚了城壕，加强了城防。同时，命令工部组织人员在城墙堞口设置门扉，在城东、西、南面城墙上绑上沙栏木，共设置门扉11000余个、沙栏木长5100余丈，进一步增强了北京城池的防御性能。为了进一步发动群众，于谦还传檄京城周围的州县和山西、河北等地民众，拿起武器，视情况打击瓦剌军队，切断其后路。
也先在进攻北京的过程中，到处遭到军民的抵抗和不断袭击。各地的百姓自动组织起来，抗击瓦剌军的掠夺。北方边陲重镇的守兵，也抱着与城共存亡的决心，誓死保卫国土。也先进攻北京各门屡次遭到失败，中路军在居庸关的进攻也受挫，并获悉明朝各路援军即将到达。唯恐后路被切断，便于十五日夜率一部人马，挟持英宗朱祁镇由良乡向紫荆关撤退。于谦发现也先军队正在撤退，即命令石亨等集中火炮轰击也先军营，炸死瓦剌军一万余人。瓦剌军在撤退的路上，一路烧杀抢掠，掠夺了许多物资和人口。而明军分路追击;石亨大破瓦剌军于清风店，范广在固安打败瓦剌军。也先一路狂逃，十月十七日，撤出紫荆关，不久退往关外。东路的脱脱不花军，闻得中路、西路已败，亦立即撤退，并于十月二十日单独遣使进贡，来北京议和。至此，明军取得了保卫北京的胜利。
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