使詐不成便強奪。也先見議和計劃失敗後，便發動軍事進攻。戰鬥開始，瓦剌首先試探性地進攻西直門，被守將劉聚擊退。隨後也先劍鋒一轉，徑直向德勝門撲來。而帶隊的主將正是素有“鐵元帥”之稱的也先弟弟平章卯那孩，是也先的精銳。于謙早就判斷瓦剌軍可能要在德勝門發動進攻，提前部署數千神機營軍隊，埋伏在德勝門外的民居中。同時派出少量騎兵佯裝失敗，從德勝門撤退，也先以為明軍兵力不濟，率萬餘精騎追擊，等瓦剌軍逼近時，神機營的火炮、火銃齊發，神機營都督範廣所領伏兵突起夾攻。“躍馬陷陣，部下從之，勇氣百倍”。也先部卒死傷累累，平章卯那孩等將領當場成為炮下亡魂。

神機營躲藏在空屋裡面確實能出其不意地打擊敵人，不過，這種戰法重複使用會讓敵人產生心理防備，不再那麼容易上當。最後解決問題的還要靠戰場上真刀真槍的對決。關鍵時刻，石亨及時出場。石亨本來與于謙一齊駐於德勝門外，但在瓦剌人到達之後，根據形勢變化，石亨率部分人馬移師安定門外。戰鬥打響不久，于謙判斷敵人的主攻方向是德勝門，立刻敦促石亨回師參戰。石亨得令後馬不停蹄地殺回來，挺刃單馬向敵人疾馳過去，左右隨從緊隨其後，如秋風掃落葉一般一下子殺敵數十人。石亨堂侄石彪手持巨斧，以“百萬軍中取上將首級”的勇氣突入敵軍陣營的中堅，所向披靡。敵人退往城西，石亨所部追到城西，不久又轉戰到了城南。其後，越戰越勇的石彪率領精兵一千多人把敵軍引入彰義門外的埋伏之中，再由石亨率領主力夾擊，取得勝利。

具有豐富作戰經驗的瓦剌軍隊立即調整作戰部署，實行“避實擊虛”之策，發覺明軍主力在德勝門，於是派出大軍進攻西直門，在西直門外佈防的都督孫鏜，擊敗瓦剌的先頭部隊，敵軍稍向北退卻，孫鏜率隊追擊，瓦剌援軍圍住孫鏜，孫鏜盡力拼殺，但因兵力單弱，漸漸不支，退到城邊，情勢危殆。此時，把守城頭的給事中程信，嚴令不準開城。程信、王通、楊善等在城上發炮相助，毛福壽、高禮率軍赴援，石亨也趕來助戰，瓦剌騎兵在三面受敵的情況下，才被迫退卻。

第一回合較量後，于謙根據明軍在戰鬥中暴露出的問題，重新調整部署。加強西直門、彰義門的防禦力量，派僉都御史王竑到西直門協助孫鏜抗敵，加強西直門、彰義門之間聯絡，一邊有警，另一邊支援，“不許自分彼此，失誤軍機”。另外，到各處巷街增設伏兵，加強火器力量。

經過短暫休整後，瓦剌又發動新一輪進攻，其目標是彰義門。明將武興、王敬、王勇率部抵敵，陣前計程車卒皆手拿神機銃等遠端火器，他們背後的人則按次序拿著弓箭與各式長短兵器，而處於陣列最後的是騎兵。不過，這次參戰的騎兵並非是石亨那樣驍勇善戰的軍人，而是臨時拉來充數的皇室內官侍人。他們等到瓦剌軍隊殺到，先以神機銃猛烈射擊，然而就在瓦剌軍隊將潰未潰之際，陣後的騎兵為了搶功，爭先恐後地湧上前來，致使現場一片混亂。瓦剌軍隊乘虛而入，以全力殺了個回馬槍，用亂箭射死了指揮官武興，將明軍打得大敗而逃。