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
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