十月初三，瓦剌军前锋两万抵达紫荆关北口。为了钳制明军，也先另派两万人出古北口。
紫荆关北临拒马河，直通居庸关、大同、宣化重镇，西临雁门、宁武、偏头诸关，南倚龙泉、倒马要塞，东连古燕国下都所在的幽冀平原，素有“畿南第一雄关”之称，与居庸关、倒马关合称为“内三关”。此关在《吕氏春秋》中即被列为神州九塞之一，历史悠久，汉时为土石夯筑，后历经各代扩建、修葺。到明洪武初年，改用石条做基础，以砖砌面封顶，并用石灰碎石灌注。自明成祖朱棣迁都北京后，更是大兴土木，在紫荆关修城建关，有城九座，水门四座，里外城连，城门则环环相套，形成了一个较为完备的防御体系。
由于紫荆关依山傍水，地势险峻，易防难攻，又是为燕京上游路，因而历来是兵家必争之地。关于紫荆关对京师的重要性，于谦也有深刻的认识：“险有轻重，则守有缓急，居庸、紫荆并为畿辅咽喉，论者尝先居庸、而后紫荆，不知寇窥居庸其得入者十之三，寇窥紫荆其得入者十之七。”所以，这处要塞首先成为瓦剌和明军争夺的焦点。
十月初九，也先主力大军抵达紫荆关，假传明英宗朱祁镇圣旨，命紫荆关守将右副都御史孙祥、都指挥使韩清开关接驾。二将闭门不纳。于是也先督促瓦剌军猛烈攻关。都指挥使韩清出战，战败阵亡。
自土木堡之变后，明军士气低落，战无斗志，边将不敢出战。韩清虽然战死，勇气却相当可嘉。右副都御史孙祥继续坚守。
孙祥原是文官，新到任紫荆关不久。这是景帝朱祁钰登基后采纳于谦的策略，分遣御史、给事中、部员，分守各处要地，安抚军民，招募壮丁，就地训练。孙祥原先官任兵科给事中，因是大同人氏，熟悉当地情况，所以于谦奏请将他升为右副都御史，派守紫荆关。韩清死后，孙祥不再出战，只是据险固守。然宦官喜宁深知紫荆关虚实，带领瓦剌军由山间小路越过山岭，内外夹攻关门，孙祥督兵巷战，壮烈战死。紫荆关因此被攻破。
而另一路瓦剌军由蒙古可汗脱脱不花率领，从古北口南进，过洪州堡，进攻居庸关。居庸关守将罗通利用寒冷的天气，将水泼在城墙上，水很快结成坚冰，坚而且滑，瓦剌军不得靠近，于是转攻居庸关西南的白羊口。
白羊口是内长城东部的重要关口，位于居庸关和横岭城之间的峡谷南口，因永定河的一条支流白羊河经过此地而得名。这段长城最早筑于汉朝，据说汉代苏武出使匈奴、王昭君出塞和亲均从此处路过。
明军守卫白羊口的是通政使谢泽，刚上任还没有几天。正式上任前，谢泽已经预料到职责重大，“与其子俨诀而行”，大有“壮士一去不复还”的悲壮。脱脱不花倾全力进攻白羊口之时，“大风扬沙，不辨人马”，天气十分恶劣。十月初八，白羊口被攻破，通政使谢泽战死殉国[5]。
自此，瓦剌军顺利突破北京外围防线，由西路紫荆关和北路白羊口两个方向继续进逼大明京师。瓦剌首领也先还一路上发表文告，声称要一举夺取北京，重建大元帝国，逼迫明廷南迁。
明廷闻报，朝野大震。北京，将以大明京师的身份，第一次承担起力抗外敌的重责。生死存亡，在此一战。
明太祖朱元璋为巩固地位，曾大兴党狱，将所有元功宿将一网打尽，连开国功臣徐达、刘基等人都没有放过。如此一来，国中无强将，朱元璋只能依靠自己的儿子来屏卫四方。他将自己的儿子和个别宗室封为藩王，让他们率领精兵分驻全国要塞，一方面用以巩固边防，另一方面用来替代诸功臣将领，监视各地文武官吏，建立起由皇权直接控制的军事中心。
朱元璋共有二十六个儿子，除嫡长子朱标早死及幼子朱楠无封地外，其他二十四子均被分封王爵，赐予国号。其中，燕、宁、辽、谷、代、晋、庆、秦、肃九王均立国塞上，驻守在东北、北方和西方边疆，“莫不敷险狭，控要害”，经常奉命领兵出外作战或巡阅边陲，被称为“藩王”。内地则有齐、鲁、赵、周、沈、伊、唐、郢、楚、湘、蜀、潭、岷诸王分布于江、淮、河、汉、川等地区，“内资夹辅”。
为了不使天下人感到他私心太重，在封藩前，朱元璋还特意作了一番表白：“天下之大，必建藩屏，上卫国家，下安生民。今诸子即长，宜各有爵封，分镇诸国。朕非私其亲，乃遵古先哲王之制，为久安长治之计。”
这番话大有“此地无银三百两”的味道。明明在那里“私其亲”，把自己那些没有尺寸之功的儿子们封为藩王，还要故意装模作样地说是为了国家。虽然“溥天之下，莫非王土，率土之滨，莫非王臣”，历朝历代皇帝都将国家当成自己的“家天下”，这并没有什么奇怪的。只是像朱元璋这样公然表白不是“私其亲”，反倒让人惊讶了。
藩王在其封地建立王府，设置官署。按体制，亲王的冕服车旗仅下皇帝一等，公侯大臣见亲王都要俯首拜谒，不得钧礼。但亲王地位虽高，却没有土地，也不能统治人民，不能干预地方政务。王府之外，便归朝廷所任命的各级官吏治理。但另一方面，亲王有统兵和指挥军事之权，每王府设亲王护卫指挥使司，有三护卫，护卫甲士少则三千人，多则一万九千人。而地方官兵调发，除皇帝的御宝文书外，须得亲王令旨，方得发兵。这样实际上亲王就是地方守军的监视人，是皇帝在地方的军权代表。平时以亲王的护卫军监视地方军队，单独可以应变；战时指挥两军，独当一面。
蒙古回归大漠后，仍有相当强的军事力量，对明朝北部形成极大威胁，故朱元璋分布在北方边防线上的藩王兵力尤为雄厚。可以说，他将北部边防的立足点完全放在了诸藩王身上，实行以藩王防边的政策。朱元璋对自己的设计非常满意，曾不无得意地对孙子朱允炆道：“朕以御虏付诸王，可令边尘不动，贻汝以安。”
封藩制是朱元璋强化皇权的一个重要措施。十分可惜的是，由藩王掌握过大的政治和军事权力，是与空前提高的中央集权体制相冲突的。朱元璋并没有想到，在他死后不久，子孙们就大起内讧，祸根便是封藩制。而破坏他北部边防设计的，正是来自皇族内部对最高权力的争夺。
对于这种分封的弊端，一些有远见的大臣早就看出来了，只是很少有人敢公开说。著名的文士解缙率直敢言，他“数上封事，所言分封势重，万一不幸，必有厉长、吴濞之虞”。
说得最直接的大概要数府学训导叶伯巨了。洪武九年（1376年）星变，朱元璋按惯例诏求直言。叶伯巨当时以国子生授平遥训，上书直言切谏。他在奏章中明确提出了三个问题：分封血亲诸王及其掌管兵权，皇帝过分依赖严刑重罚；以及皇帝治国和建立制度过于匆忙。就第一点，叶伯巨指出，过分热心地分封诸王可能为将来某一亲王僭位创造条件，他甚至预言燕王终将有争位之举，“而秦、晋、燕、齐、梁、楚、吴、蜀诸国，无不连邑数十。城郭宫室亚于天子之都，优之以甲兵卫士之盛。臣恐数世之后，尾大不掉，然后削其地而夺之权，则必生觖望。甚者缘间而起，防之无及矣。”
这份关于藩王危险性预测的奏章，在后来得到了验证。最富有戏剧性的是，当时燕王朱棣还没有就藩，叶伯巨居然就预言到了朱棣将来会谋反。
奏书上后，朱元璋大怒道：“这小子敢离间朕父子骨肉，速速逮来，朕要亲手射死他！”
叶伯巨被枷解到南京，虽然侥幸没有被朱元璋射杀，但不久便饿死在狱中。更为不幸的是，叶伯巨所言后来果然成了事实。
朱元璋将军事大权交付给了自己的亲生儿子，总算才放了心。以亲王守边，内地的各个大城市，也都由自己的儿子出镇，每一个王国都是军事中心。这样，虽然京师远在东南，也不会有太大的问题。诸亲王每年秋天勒兵巡边，远到塞外，练兵习武，叫作“肃清沙漠”。凡是亲王都参与军务，其中晋王和燕王屡次受命领兵出塞。大将如宋国公冯胜、颍国公傅友德都受晋、燕二王节制。军中大小事务由亲王决断，大事才报告朝廷。晋、燕二王军权独重，立功也最多。
朱元璋自以为这样安排，十分周全。但是他没有想到，给儿子过重的军权，会造成皇家的内部矛盾。朱元璋去世后，皇太孙朱允炆继位，皇权与藩王之间积累已久的矛盾便急遽激化。一方面，是朱允炆担心诸王权力过于强大，积极着手“削藩”；另一方面，以燕王朱棣为首的藩王们极力要求维护自己既得的权位，最后爆发了“靖难之役”。内战的结果是建文帝朱允炆败亡，朱棣夺得皇位，史称明成祖。
朱棣为夺取皇位所发动的靖难之役给北部边防带来巨大的影响，其最关键的就是北边防线出现了两大缺口：一是大宁都司之废；二是东胜卫之撤。
朱棣即位后，对北边的防卫体系重新进行了部署：其一是将诸王防边的体制改变为大将镇守边陲军镇的体制，分别派亲信大将镇守辽东、陕西、宁夏、大同、甘肃、宣府、永平山海六处军事要地；其二是将有威胁的藩王向内地迁徙，或者将藩王的兵权削夺。
其中，对宁王朱权[6]的徙封及大宁都司的内撤对明朝北部边防影响最大。“天下既定，徙宁王南昌，徙行都司于保定，遂尽割大宁地畀三卫，以偿前劳”。意思是，明成祖朱棣一方面将原来驻守大宁的弟弟宁王朱权徙封南昌，一方面将设在大宁的北平行都司迁往保定。而这一切，都是为了报答兀良哈三卫对其靖难之役的支持。
大宁都司的内徙，给明朝的北部边防造成了致命的影响。尤其是大宁都司内迁到保定后，明成祖朱棣没有在大宁之地重新设防。他即位后在北边布置的镇守总兵官中，唯独没有大宁，所以大宁之地在实质上已经被割让给兀良哈三卫。
尽管明成祖朱棣有诸多冠冕堂皇的理由放弃大宁，但大宁的不设防，等于在辽东和开平之间的边防线上打开了一个大大的缺口，蒙古骑兵可以从这个缺口自由出入，使得明太祖朱元璋最初设计的北部防线出现了断陷，直至导致后来的动摇。明军北部声势隔绝，最后不得不南撤开平。
在大宁都司内迁的同时，东胜州也作了内撤。明成祖朱棣即位后在不到一年的时间内，将北边防线上的两个重要都司撤向内地。这样北部的边防就出现了两个大缺口，一个在辽东与开平之间，另一个在大同与宁夏、甘肃之间。由此，开平势单力孤，成为深入蒙古高原的孤岛，三面受敌，处于岌岌可危的境地。到了宣德年间，明宣宗朱瞻基迫于压力，不得不把开平驻防也撤向了内地。
大宁、开平、东胜州三个重镇的内迁，是明廷重大战略失误，由此对明朝北部边防产生了全局性的影响。而所弃之地则为蒙古部族所占据，成为他们南下侵扰明朝边境的战略基地。
永乐一朝，明朝军力强大，加上明成祖朱棣本人从马上得天下，是个英主，因此终成祖一朝，蒙古始终无力与明军争锋，因而朱棣的“天子守边”看起来相当有效。天子守边的重要根基在于居安思危，这个思危的本意，其实就是说大明的京师北京濒临北边边防。
明成祖朱棣死后，明朝再也没有能力对蒙古各部进行大规模的远征。为了防御蒙古，明廷不得不在内移的防线上据险筑城，屯兵防守。于是西起嘉峪关，东到鸭绿江的数千里防线上逐渐形成辽东镇、蓟州镇、宣府镇、大同镇、山西镇、延绥镇、宁夏镇、陕西镇、甘肃镇等九个边防重镇，号称“九边”，这就是九边的来历。
前沿据点的内移，导致明朝在北边防卫上由主动变成了被动，只能以九边为中心布置军队驻守。而此时明朝的整个防御体系缺乏纵深，对河套地区和长城以外的广大地区失去了控制。蒙古军进入河套地区，构成明朝北边的心腹之患。
更加严峻的形势是，明朝原来的内边变成前线，外险尽失，开门延寇，京师和内地直接暴露于剽悍的蒙古骑兵面前。尤其是大明的国都北京，已经直接站在了国防第一线。而所谓天子守边的根基——居安思危的思想，在明成祖朱棣之后的皇帝们身上，已经日趋淡忘。事实上，明英宗朱祁镇在土木堡被蒙古俘虏事件的潜因，在明成祖朱棣一朝便已经伏下了。
瓦剌军过大同后，大同总兵郭登将军情紧急送往京师。当天，北京全城戒严。
十月初五，明景帝朱祁钰诏诸王派兵入卫。
十月初八，朱祁钰下旨命兵部尚书于谦提督各营军马，统一指挥，将士皆受节制，都指挥以下将官有不奉命的，可以先斩后奏[7]。
当时，各地赶到京师的明军，加上新招募的兵丁，共有二十二万人。因为缺兵少将，于谦急上奏疏，请朱祁钰放出了那些因过下狱的将领，准予戴罪立功，其中便有广宁伯刘安和原大同左参将都督石亨。石亨是一员猛将，善骑射，因之前战败后单骑奔还，被贬官下诏狱。危难之间，于谦大胆用人，熟习军事的石亨被授予重任。
于谦登坛检阅将士后，将各军列阵于京城九门之外。总兵官石亨、副总兵范广、武兴负责守卫德胜门，都督陶瑾列阵于安定门，广宁伯刘安守东直门，武进伯朱瑛守朝阳门，都督刘聚守西直门，副总兵顾兴祖守阜成门，都指挥李端守正阳门，都督刘德新守崇文门，都指挥杨节守宣武门。九门之军，皆受石亨节制。
北京原为明朝第一要塞，建筑格局都是取战时体制。京城九门之中，最重要的当属德胜门。德胜门的名称始于明初。明朝建国之初，明将徐达率军进攻元大都，城破前，元顺帝自大都北门健德门逃走。徐达攻进大都后，将健德门改名为德胜门，有纪念明军取得大胜之意。
明永乐年间，明成祖朱棣营建北京城时，将大都城的北城墙南移五里，重新修建城门和瓮城。又将原来的土城墙改建为砖城墙，名称还叫德胜门。每逢出兵打仗，明军都要从德胜门出发，由此开赴前线作战，以求打胜仗，暗合“得胜”之意；而得胜还朝时，则要进安定门，表明打退了敌人，实现了安定。不过，这只是图个吉利的名头，事实上，明军出德胜门打仗，有打胜仗的时候，也有打败仗的时候。明军在土木堡惨败，便是典型的例子。
瓦剌军从紫荆关和白羊口两路进攻京师的消息传来后，朝廷大震。竟然有言官上奏弹劾已经在紫荆关战死的孙祥，说他弃关逃跑，应给予追究。于谦没有相信。事实上，即使他相信，此时也没有时间来追究孙祥的下落与责任，因为敌方大军已经近在咫尺。
明军战败消息传开后，北京城外郊区的民众一片恐慌，争相收拾行李，拖家带口地逃入北京城内。
而北京城内，各将领对北京战守策略也是意见不一。兵马司建议完全拆毁九门外军民房屋，以免被敌人利用。都尉王通主张在京城外挖筑深壕，以阻挡敌骑冲突。总兵官石亨则提议全军退守城内，坚壁清野，以避贼锋，等到敌人久攻不克，兵马疲惫，然后出击，必能获胜。
于谦却认为前面明军一直在吃败仗，瓦剌肯定因此而轻视明军。他慨然道：“奈何示弱，使敌益轻我？”提出不应该单纯守城，而是要主动出城迎击，给敌人一个下马威。
于是，于谦委派兵部侍郎吴宁代理兵部事，自己亲自率军阵于德胜门外，准备迎击瓦剌的主力军。
十月初十，于谦下令紧闭京城九门，规定作战期间一律不得开门，以示背城死战的决心。并且颁布临时军令：“临阵将不顾军先退者，斩其将；军不顾将先退者，后队斩前队。”
将士们看到城门已闭，知道已无退路，只有勇敢击退敌人，才能死里求生。
兵部尚书于谦以下诸将都亲自督战。于谦躬擐甲胄，身先士卒，“泣以忠义谕三军”，人人感奋。彼时于谦已是新朝廷首屈一指的头号重臣，他亲自披甲上阵，许多明军感动得痛哭失声，决心以死报国。
十月十一日，随着号角声长鸣，瓦剌军前锋抵达京师，并在西直门外列阵，摆开了要大战一场的架势。明英宗朱祁镇则被关在德胜门外的一处空宅子的猪房中。家国近在咫尺，却是有家不能回，其焦灼心情可想而知。
当日，于谦趁敌军立足未稳，派都督高礼、毛福寿率军出击。明军与瓦剌军交战于彰仪门土城北，瓦剌军败。明军杀敌数百人，夺还所掠千余人。初战告捷，军威大振，人心振奋。当天夜里，于谦又派薛斌率精兵偷袭瓦剌军营地，亦有所斩获。
也先此次南下进兵，几乎是倾巢出动，没想到刚到北京城一天之内，就连吃两个败仗，锐气大大受挫。之前，他因为轻而易举地俘虏了明朝皇帝，骄横异常，认为明军不堪一击，甚至他已经计划在几天之内攻下北京。但出乎他意料的是，明军阵容整齐，京师城防严密而坚固，要想攻下北京，绝非易事。宦官喜宁见也先有进退两难之意，便献计让也先遣使讲和，请明廷派大臣来迎回英宗，借以试探明廷的态度，也可以等到有利的时机。
明廷经过紧急商议后，认定这是也先的阴谋，决定不派大臣“迎驾”，但还是应该派遣使者去见太上皇。
此时两军对峙，一触即发，阵前出使显然是一项非常危险的使命，何况朝廷没有打算接受也先的任何条件。经过商议，明景帝朱祁钰采取了重赏招勇的老办法，升通政司参议王复为礼部侍郎，中书舍人赵荣为鸿胪寺卿，派遣二人出城拜见太上皇朱祁镇。
十月十二日，明使者王复和赵荣来到德胜门外土城关也先军营。土城关是古蓟州的遗址，所以又名“蓟邱”，著名的燕京八景之一的“蓟门烟树”，便是指此处。
也先为了吓唬明朝使者，大摆兵仗，露刃夹道，杀气腾腾，并让朱祁镇带刀坐在帐中。也先和弟弟伯颜帖木儿都披甲胄，张弓矢，站在朱祁镇两旁。王复和赵荣进来朝拜后，献上羊酒。
朱祁镇看到来人官职不高，觉得朝廷太不重视自己，很不高兴地问道：“何不遣大臣来？”
也先听了也很惊讶，便问使者都是何等官职。朱祁镇道：“都是小臣。”
也先亦大感不悦，怒道：“大臣如何不来迎？犬犹认主人，我奉驾至城门，不来接。”随即对王复等人道：“尔小官，可令胡濙、于谦、王直、石亨、杨善等来。”
意思是嫌王复和赵荣官小，指名要于谦、石亨、胡濙等往瓦剌军营谈判，并再次向明廷索要大量金帛。
也先这一招显然是想诱骗于谦、石亨等重臣前来，借机扣押，由此扰乱明军防守，趁乱攻取北京。但明景帝朱祁钰听到使者回报后，意志竟然开始动摇，倾向于讲和。
幸好朱祁钰初即帝位，在重大军政上还不敢自作主张，专门派人到前方德胜门征询于谦的意见。于谦回答道：“今日只知有军旅，他不敢闻。”坚决主张抗战，并要求朱祁钰不要再派使臣出城。朱祁钰接受了于谦的意见。
到了这个时候，一场事关明朝廷生死的大战已经不可避免，这就是中国历史上著名的北京保卫战。
十月十三日，瓦剌军散骑到德胜门外窥探明军阵势。于谦料知瓦剌军将倾全力攻德胜门，命石亨事先伏兵于道路两侧的空房中，而以小队骑兵诱敌。瓦剌军见状来攻，明军佯装败退，瓦剌军精骑万余呼啸追来。石亨率伏兵陡起，截断了瓦剌军退路。
当时北京已经入冬，天气寒冷，空中开始飘雪，忽而又是大风。在这样恶劣的天气中，瓦剌军和明军双方展开了激烈的战斗。明副总兵范广率军从正面迎击。范广与石亨前后夹击下，瓦剌军大败。明军神机营火炮、火铳一齐射击。硝烟弥漫中，也先之弟孛罗、瓦剌部平章卯那孩先后中炮而死。孛罗绰号“铁元帅”，号称不可战胜，他的死对瓦剌军士气打击颇大。
明京师保卫战形势图
进攻德胜门的瓦剌军败退后，转攻西直门。明军守卫西直门的是都督刘聚。他早有准备，背城列阵，前面是极深的一道壕沟。瓦剌军刚一逼近，躲在壕沟后的明军火器齐发。瓦剌军攻势受阻，见无法突破壕沟，只好往西而走。
守卫西直门西面的是明军右都督孙镗一军。孙镗本来奉命率军一万前往紫荆关御敌，但军队还没有开拔，紫荆关已经失守，孙镗大军便临时停在北京城外。但此刻孙镗驻扎在西直门外大营的不过五百多人，手下大部分明军都驻守在良乡、涿州一带，远水解不了近渴。孙镗见瓦剌败军到，亲自率军迎敌，斩瓦剌军前锋数人。瓦剌军新挫，竟然被孙镗五百人杀退，往北退去。
孙镗见敌众我寡，不敢追击，退军到西直门下，要求西直门守将打开城门，放他进去。西直门城上守将是都督王通和都御史杨善。杨善原为礼部左侍郎，扈从英宗皇帝亲征，侥幸从土木堡之变中逃脱，此次再上战阵，肩负守城重责，不敢轻易做主。吏科给事中程信奉旨在西城监军，坚持闭门不纳孙镗，以免给瓦剌以可乘之机。
此时，瓦剌一队人马杀到，程信只下令从城上用枪炮遥击瓦剌军，为孙镗助威助战。
孙镗见已经没有退路，只好率军与瓦剌在城下拼力血战。然而，瓦剌军有数千人之多，数倍于孙镗军，敌强我弱，实力对比悬殊。眼见孙镗就要不敌的时候，明都督高礼、毛福寿等率军从南面赶来助战。西直门外激战更急，双方混战在一起厮杀。混战中，明都督高礼身中流矢。孙镗军死伤渐多，有些抵挡不住，被瓦剌军四下围住。明军被逼着后退，战阵渐渐逼近西直门城门。
危急时刻，总兵官石亨与侄子石彪率援军赶到。石亨的兵器是一把大刀，石彪则使巨斧，叔侄二人所用都是重兵器，所向披靡。瓦剌军领教了厉害，立即望风而逃。这时候已经是黄昏，天光渐暗，石亨下令收兵，没有继续追击。
十月十四日，在德胜门和西直门遭挫的瓦剌军又进攻彰义门[8]。于谦命副总兵武兴、都督王敬、都指挥王勇率军迎战，主动出击。明军前队用神铳火器冲锋，后队列弓弩短兵继进，挫败了瓦剌军的前锋。
但明景帝派来的监军太监想要争功，领着数百骑驰马抢前，明后军因而阵乱。瓦剌军乘势反击，总兵武兴不幸中流矢而死，明军受挫败退。瓦剌军追击明军到土城，当地居民舍生忘死，登屋号呼，投砖石阻击瓦剌军。情势危急之时，佥都御史王竑和副总兵高礼、毛福寿率领的援兵赶到，瓦剌军仓皇撤退。
前几次交锋，均以瓦剌军大败告终。然而，瓦剌军元气未失，集结在德胜门外土城关一带的军队还有三万之多。但明军亦有占先之处，有着当时世上无可比拟的火器优势。
早在元朝时，中国便有了火炮，即世所称“襄阳炮”，因首先在襄阳使用而得名[9]。此炮并非火炮，而是巨型投石机，威力巨大，为后世所重视。燕王朱棣发动靖难之役时，攻城略地，往往赖火炮建功。
这里面，还曾经发生过一则颇为有趣的故事。燕军南下进攻济南的时候，围城三月而不能下，朱棣便下令用火炮轰城。当时守济南的是山东布政使铁铉，见燕军火炮厉害，便制作了许多大木牌，上书“太祖高皇帝神牌”，挂在城头。朱棣若继续开炮，便是轰了自己父皇的牌位，无奈之下，只好下令停止轰击。
朱棣当上皇帝后，在平定安南的战争中，获得了制作“神机枪炮”的方法。此枪炮威力令人耳目一新，非旧式火炮可比，朱棣特设“神机营”，成为明军中的炮兵部队，并在明军与蒙古的数次交锋中发挥了重要作用。
神机枪炮当时称为“神铳”，由京师“兵仗”“火器”两局制造，因为是重要利器，不轻易配发。明英宗朱祁镇亲征时，给大军临时配发火器，许多明军士兵都不能熟练操作，以致在土木堡之变时，明军的火器优势完全没有发挥出来。但北京既是京师，城头架设有许多大口径火炮，威力又非单兵使用的神机铳所能比拟。
京城九门之中，以德胜门和西直门配置火炮的架数最多，火力也最强。于谦早就想炮轰德胜门外的瓦剌军，不过因为明英宗朱祁镇人在瓦剌军中，不得不有所顾忌。但突然之间传来了一个好消息，说是瓦剌军受挫后，也先已派弟弟伯颜帖木儿护送朱祁镇往西去了。于谦派人侦察核实后，立即下令开炮。
十月十五日这一晚，炮声震天。驻扎在城外的明军都点起火炬，以免被城中炮火误伤。明军大炮轰了一夜，声势惊人，瓦剌军死伤上万，其余人分西、北两路逃走，北路出居庸关，西路出紫荆关。
北路出居庸关的瓦剌军大都顺利逃脱，而西路的瓦剌军就没有那么顺利了。也先自良乡西退后，沿途大掠，还在昌平焚毁了明朝皇陵寝殿。明军右都督孙镗大军正分布在往紫荆关的方向，大破也先瓦剌败军于涿州。刚好明军宣化守将杨洪奉诏率军两万入卫京师，在半路遇到被孙镗打败的瓦剌军。又一场大战，瓦剌军溃败。杨洪一直追击到霸州。瓦剌军能够生出紫荆关的，不过几千人而已。
到十一月初八，瓦剌军全部退到塞外，京师解除了戒严。于谦有《出塞》一诗，记录了京师保卫战的胜利：健儿马上吹胡笳，旌旗五色如云霞。
紫髯将军挂金印，意气平吞瓦剌家。
瓦剌穷胡真犬豕，敢向边疆挠赤子。
狼贪鼠窃去复来，不解偷生求速死。
将军出塞整戎行，十万戈矛映雪霜。
左将才看收部落，前军又报缚戎王。
羽书捷奏上神州，喜动天颜宠数优。
不愿千金万户侯，凯歌但愿早回头。
但又有《入塞》云：
将军归来气如虎，十万貔貅争鼓舞。
凯歌驰入玉门关，邑屋参差认乡土。
弟兄亲戚远相迎，拥道拦街不得行。
喜极成悲还堕泪，共言此会是更生。