明军南下作战刚刚结束，迤北的瓦剌发动了对明朝的大举进攻。
一四四九年二月，瓦剌也先遣使二千余人向明朝进贡马，诈称三千人，向明廷多邀回赐。王振告礼部依实有人数给赏，并减给马价五分之四。也先大怒，借口明使曾许嫁公主，贡马是致送聘礼，明廷无意许亲，是失信于瓦剌。七月，脱脱不花与也先统率大军，分四路侵入明境。东路军由脱脱不花率领，协合兀良哈部众攻掠辽东，西路军进攻甘州。中路军分两路南下，一路由知院阿剌率领，进攻宣府，围赤城。另一路由也先率领，直逼大同。大同明守军战败，参将吴浩战死。
大同败报传到北京，太监王振劝英宗亲征。兵部尚书邝埜和侍郎于谦力言六师不宜轻出，吏部尚书王直率群臣上疏说：士马之用未充，兵凶战危。英宗采王振议，下诏亲征。命太监金英辅佐皇弟郕王朱祁钰留守京师，兵部侍郎于谦留京代理部务。太监王振与英国公张辅、兵部尚书邝埜、户部尚书王佐及内阁学士曹鼐、张益等文武官员随军出征。命在京五军、神机、三千等营官军操练者，人赐银一两，胖袄裤各一件， 鞋两双。行粮一月，作炒麦三斗。兵器八十余万。又每三人给驴一头，为负辎重。把总、都指挥，人加赐钞五百贯。(《英宗实录》卷一八○)宣府、大同等地仓储缺乏，户部急令山西布政司及顺天保定等七府原定口外交纳的夏麦秋粮，抵斗收豆，赴大同、宣府等处交纳。又令太原府所属近北州县各起民五百名采刈秋青草。军需不及充分准备。诏下两日后，英宗统率的大军便匆匆出京了。
七月十六日，英宗率领五十余万大军从北京出发，十九日出居庸关，过怀来，至宣府。二十八日至大同东北的阳和(山西阳高县)。大军出京前，大同总督西宁侯宋瑛、总兵官武进伯朱冕及都督石亨，曾于十五日在阳和迎战也先军。明军大败，全军覆灭。宋瑛、朱冕战死，石亨单骑逃回，监军太监郭敬伏草丛中逃脱。英宗大军到阳和，仍见伏尸遍野，军心涣散。
八月初一日，明军进到大同。兵部尚书邝埜、户部尚书王佐见形势不利，力请回师。王振不听。也先主动北撤，诱明军深入。王振坚持北进。初二日，太监郭敬密告王振，如继续北进，正中虏计，决不可行。次日下令班师。
初十日，退至宣府。瓦剌军追袭而来，恭顺伯吴克忠、都督吴克勤率兵断后拒敌，均战死。成国公朱勇，永顺伯薛绶率三万骑前去救援。朱勇冒险进军至鹞儿岭，陷入瓦剌包围，朱勇、薛绶战死，三万骑兵几乎全部损失。十三日，英宗军逃到离怀来城二十里的土木堡，随从的文武官员主张入保怀来，王振因辎重千余辆未至，主张留待。邝埜上章请英宗车驾速入居庸关，被王振遏止不报。邝埜又到行殿力请，王振怒斥说：“腐儒安知兵事，再妄言，必死!”邝埜回答说：“我为社稷生灵，何得以死惧我!”王振喝令卫士将邝埜扶出。第二天英宗想继续行进，但瓦剌军已紧逼明军，无法移动。土木堡之南十五里处有河，被瓦剌军占据，明军人马两天不得饮水。
也先从土木堡旁的麻谷口进攻，明都指挥郭懋拒战一夜。十五日，也先佯退，派使者到明军讲和，英宗命曹鼐起草诏书，派通事二人随来使去也先军营。王振见瓦剌使者来议和，下令兵士移营就水，军士跳越壕堑，行伍纷乱。瓦剌军乘势四面围攻，明军争先逃窜，死伤甚众。英宗与亲兵乘马突围，不得出，下马盘膝而坐，被瓦剌士兵俘送也先之弟赛刊王营，成为瓦剌的俘虏。
两军混战中，明英国公张辅、驸马都尉井源，兵部尚书邝埜，户部尚书王佐，内阁学士曹鼐、张益、侍郎丁铭、王永和等五十余人战死。只有大理寺右寺丞萧维桢、礼部左侍郎杨善等数人侥幸逃出。护卫将军樊忠用棰捶死王振，说：“吾为天下诛此贼!”明军骡马二十余万，并衣甲器械辎重，尽为也先所得。明军五十万，死伤过半。
土木堡之战，明军仓促出师，进退失据，京军精锐，毁于一旦，勇将重臣多人战死。英宗皇帝被俘更使朝野震动。明王朝遭遇到建国以来所未曾有的严重危机。