正统十四年(1449年)7月，蒙古瓦拉部首领也率先骑马南下。在王震等人的煽动下，年轻而充满活力的明英宗贸然出征。8月15日，明军被蒙古兵团包围在土木堡(今河北省怀来县沙城镇)。十几万明军被歼灭，连英宗都被俘虏了。后来的历史学家称之为“土木工程的变化”。
“土木工程的变化”将明朝推向了生死存亡的边缘。首先，军队威胁新的胜利，想要追求胜利，赢得北京，再现前元帝国的辉煌。明朝，英宗亲自征用了所有的首都军队，导致了首都的防空。此时，人们陷入了混乱，许多富裕的家庭清理财产，带着家人，逃往南方。
英宗被俘的消息传到了皇宫。皇后和皇后收集了宫中的金银珠宝，准备了八辆马车，派人到营地，希望能换回英宗；在法庭上，文武官员无助。侍讲徐跳出来说，根据他对天象的观察，只有放弃北京，迁都南京才能挽救生命，一些官员也随声附和。皇太后和英宗弟弟王临时听政后都不知所措。这时，于谦厉声喝道：“主张南迁，该杀！北京大师是世界的基础，迁都只能使人心和士气松懈，国家也会完全结束。你忘了南宋的教训了吗？于谦纵论当时的情况，鼓励大家同仇敌共，击退来犯之敌。于谦的建议得到了皇太后和一群正义之士的支持，于是被任命为兵部尚书，组织北京保卫战。
国难当头，首要问题是稳定人心。朝臣们平时受够了宦官的窝囊气，把土木堡惨败的原因归咎于宦官王振，要求将王振杀死九族。王振的党羽马顺当朝骂官员，引起百官强烈不满，他们一哄而上，将马顺活活打死。随后，百官在宫中寻找王震的党徒，追打撕扯，一片混乱。监国王天性软弱，看到这一阵势，惊慌失措。于谦一边阻止官员群殴，一边阻止王者，让他宣布马顺等人死罪，赦免参与殴打的官员，惩治灾国祸民的宦官。王一一答应，混乱才能平息。于谦此时发现自己的官袍在混战中被撕破了。
还试图以英宗为筹码威胁明廷。另立新君成为明朝的当务之急。但当时太子只有三岁，无法承担救亡的重担。众臣商议，让监国王继任皇帝。然而，王却死活不愿出面。在他看来，皇兄英宗在世，又立了王子，自己名不正言不顺，也不愿收拾这样的烂摊子。于谦找到王，严肃而真诚地说：“大臣们推荐你做皇帝，都是为了国家的社会，你也应该把国家的安全放在首位！在于谦的劝说下，王终于同意登基称帝，年号景泰，史称代宗。重建了明朝新的政治核心。
在新皇帝的全力支持下，北京保卫战如火如荼。于谦在短短一个月内集结了20多万军队。他将军兵分为九路，阵列在九大城门外，主动迎接也先挑战。也原以为明军不堪一击，只能作困兽斗，北京城唾手可得，但看到明军旗帜狩猎，严阵以待，便已心虚。经过五天的激战，双方都没有得到任何好处。当他得知秦王兵马陆续赶往北京时，他决定连夜撤退，因为他担心自己的腹部会受到敌人的影响。于谦领导的北京保卫战胜利。
北京保卫战成就了于谦一世的名声。国难当头，他排众议，挺身而出；为了保京师，他带领军队对抗敌人。没有于谦，明朝的历史可能会突然转向；没有于谦，明朝200多年的国家延续是不可能的。于谦也成为中国历史上最著名的民族英雄之一。