蒙古瓦剌部首領也先在土木堡戰役中大敗明軍，之後，浩浩蕩蕩率軍進攻北京。當時明朝最有戰鬥力的部隊、精銳的騎兵都已在土木堡失陷，北京幾乎是一座不設防的城市。兵部緊急調南北兩京、河南的備操軍，山東和南京沿海的備倭軍，江北和北京所屬各府的運糧軍，馬上開赴京師。就這樣也才湊了20萬人，且大多沒有多少戰鬥力。面對強敵，兵部侍郎于謙斷然下令：將領不顧軍士自己先後退的，斬將領；軍士不顧將領先後退的，斬軍士；部隊集體逃跑的，後隊斬前隊。在這樣嚴厲的軍令面前，將士們都抱着拼死抵抗的決心。于謙命令大將石亨在德勝門找了一排空屋子，祕密安排神機營隊員帶着火器埋伏在屋子裏。
神機營是什麼營？明朝禁衛軍有三大營，分別是五軍營、三千營和神機營。神機營是明朝軍隊中專門掌管火器的特種部隊。這個部隊，對外可征戰，對內可保護京師，這是由中央直接指揮的機動部隊。神機營共有5000人，其中，步兵有3600人，全部配備火銃；炮兵有400人，配備野戰重炮160門、大連珠炮200 杆，還有炮兵防身用手銃400 杆。另外還有騎兵1000人。這是中國乃至世界上最早的獨立槍炮部隊，比西班牙的火槍兵還要早100年。安置好神機營之後，于謙叫一些騎兵故作悠閒散漫，稀稀拉拉，三三兩兩地東遊西逛。也先看到這個情況後，急忙派遣一萬騎兵，迅速攻向德勝門。當瓦剌騎兵逼近德勝門時，只聽槍炮齊鳴，硝煙四起，密集的槍彈和炮彈從空屋子中噴射而出。
神機營採用三段式的射擊方法，即：把士兵分爲3排，首先射擊的是第一排處於隊列1、3、5、7、9、11等位置的士兵；緊接着是處於隊列2、4、6、8、10、12等位置的士兵射擊。第一排的士兵在每一次射擊之後，馬上把空槍遞給中間一排的士兵，並從中間一排的士兵手中接過裝好彈藥的神機銃。中間一排的士兵從第三排士兵手中接過已經裝好彈藥的神機銃，快速遞給第一排士兵，同時，將從前排士兵的手中接過的空槍遞給第三排士兵。第三排士兵主要任務是裝彈藥。這樣一來，就保證了可以對敵人連續不斷地射擊，使敵人沒有絲毫喘息的機會。發明這種方法的是明朝初年的名將沐英。此法領先世界200多年。
瓦剌兵哪裏會料到，空屋裏會暗藏機關。剎那間，瓦剌兵被炸得人仰馬翻，鬼哭狼嚎。不一會兒，便死傷慘重，只得狼狽逃跑。他們回頭又直衝向西直門，誰知還沒站穩就遭到迎頭痛擊。他們又衝向土城，那裏的居民爬到屋頂上，將磚頭、石塊扔向瓦剌兵陣營。瓦剌兵沒佔到一點兒便宜。明朝大軍迅速趕到擊潰了他們。雙方接連戰鬥多次，每次都是以瓦剌兵的失敗結束。也先待了5天，沒撈到一點兒好處，他擔心明朝的援軍趕到，不敢戀戰，只好灰溜溜撤兵回了大漠。就是在他撤兵途中，也被于謙一路追打到紫荊關。
