明軍南下作戰剛剛結束，迤北的瓦剌發動了對明朝的大舉進攻。

一四四九年二月，瓦剌也先遣使二千余人向明朝進貢馬，詐稱三千人，向明廷多邀回賜。王振告禮部依實有人數給賞，并減給馬價五分之四。也先大怒，借口明使曾許嫁公主，貢馬是致送聘禮，明廷無意許親，是失信于瓦剌。七月，脫脫不花與也先統率大軍，分四路侵入明境。東路軍由脫脫不花率領，協合兀良哈部眾攻掠遼東，西路軍進攻甘州。中路軍分兩路南下，一路由知院阿剌率領，進攻宣府，圍赤城。另一路由也先率領，直逼大同。大同明守軍戰敗，參將吳浩戰死。

大同敗報傳到北京，太監王振勸英宗親征。兵部尚書鄺埜和侍郎于謙力言六師不宜輕出，吏部尚書王直率群臣上疏說：士馬之用未充，兵兇戰危。英宗采王振議，下詔親征。命太監金英輔佐皇弟郕王朱祁鈺留守京師，兵部侍郎于謙留京代理部務。太監王振與英國公張輔、兵部尚書鄺埜、戶部尚書王佐及內閣學士曹鼐、張益等文武官員隨軍出征。命在京五軍、神機、三千等營官軍操練者，人賜銀一兩，胖襖褲各一件，鞋兩雙。行糧一月，作炒麥三斗。兵器八十余萬。又每三人給驢一頭，為負輜重。把總、都指揮，人加賜鈔五百貫。(《英宗實錄》卷一八○)宣府、大同等地倉儲缺乏，戶部急令山西布政司及順天保定等七府原定口外交納的夏麥秋糧，抵斗收豆，赴大同、宣府等處交納。又令太原府所屬近北州縣各起民五百名采刈秋青草。軍需不及充分準備。詔下兩日后，英宗統率的大軍便匆匆出京了。

七月十六日，英宗率領五十余萬大軍從北京出發，十九日出居庸關，過懷來，至宣府。二十八日至大同東北的陽和(山西陽高縣)。大軍出京前，大同總督西寧侯宋瑛、總兵官武進伯朱冕及都督石亨，曾于十五日在陽和迎戰也先軍。明軍大敗，全軍覆滅。宋瑛、朱冕戰死，石亨單騎逃回，監軍太監郭敬伏草叢中逃脫。英宗大軍到陽和，仍見伏尸遍野，軍心渙散。

八月初一日，明軍進到大同。兵部尚書鄺埜、戶部尚書王佐見形勢不利，力請回師。王振不聽。也先主動北撤，誘明軍深入。王振堅持北進。初二日，太監郭敬密告王振，如繼續北進，正中虜計，決不可行。次日下令班師。

初十日，退至宣府。瓦剌軍追襲而來，恭順伯吳克忠、都督吳克勤率兵斷后拒敵，均戰死。成國公朱勇，永順伯薛綬率三萬騎前去救援。朱勇冒險進軍至鷂兒嶺，陷入瓦剌包圍，朱勇、薛綬戰死，三萬騎兵幾乎全部損失。十三日，英宗軍逃到離懷來城二十里的土木堡，隨從的文武官員主張入保懷來，王振因輜重千余輛未至，主張留待。鄺埜上章請英宗車駕速入居庸關，被王振遏止不報。鄺埜又到行殿力請，王振怒斥說：“腐儒安知兵事，再妄言，必死！”鄺埜回答說：“我為社稷生靈，何得以死懼我！”王振喝令衛士將鄺埜扶出。第二天英宗想繼續行進，但瓦剌軍已緊逼明軍，無法移動。土木堡之南十五里處有河，被瓦剌軍占據，明軍人馬兩天不得飲水。

也先從土木堡旁的麻谷口進攻，明都指揮郭懋拒戰一夜。十五日，也先佯退，派使者到明軍講和，英宗命曹鼐起草詔書，派通事二人隨來使去也先軍營。王振見瓦剌使者來議和，下令兵士移營就水，軍士跳越壕塹，行伍紛亂。瓦剌軍乘勢四面圍攻，明軍爭先逃竄，死傷甚眾。英宗與親兵乘馬突圍，不得出，下馬盤膝而坐，被瓦剌士兵俘送也先之弟賽刊王營，成為瓦剌的俘虜。

兩軍混戰中，明英國公張輔、駙馬都尉井源，兵部尚書鄺埜，戶部尚書王佐，內閣學士曹鼐、張益、侍郎丁銘、王永和等五十余人戰死。只有大理寺右寺丞蕭維楨、禮部左侍郎楊善等數人僥幸逃出。護衛將軍樊忠用棰捶死王振，說：“吾為天下誅此賊！”明軍騾馬二十余萬，并衣甲器械輜重，盡為也先所得。明軍五十萬，死傷過半。

土木堡之戰，明軍倉促出師，進退失據，京軍精銳，毀于一旦，勇將重臣多人戰死。英宗皇帝被俘更使朝野震動。明王朝遭遇到建國以來所未曾有的嚴重危機。