蒙古瓦剌部首领也先在土木堡战役中大败明军，之后，浩浩荡荡率军进攻北京。当时明朝最有战斗力的部队、精锐的骑兵都已在土木堡失陷，北京几乎是一座不设防的城市。兵部紧急调南北两京、河南的备操军，山东和南京沿海的备倭军，江北和北京所属各府的运粮军，马上开赴京师。就这样也才凑了20万人，且大多没有多少战斗力。面对强敌，兵部侍郎于谦断然下令：将领不顾军士自己先后退的，斩将领；军士不顾将领先后退的，斩军士；部队集体逃跑的，后队斩前队。在这样严厉的军令面前，将士们都抱着拼死抵抗的决心。于谦命令大将石亨在德胜门找了一排空屋子，秘密安排神机营队员带着火器埋伏在屋子里。
神机营是什么营？明朝禁卫军有三大营，分别是五军营、三千营和神机营。神机营是明朝军队中专门掌管火器的特种部队。这个部队，对外可征战，对内可保护京师，这是由中央直接指挥的机动部队。神机营共有5000人，其中，步兵有3600人，全部配备火铳；炮兵有400人，配备野战重炮160门、大连珠炮200 杆，还有炮兵防身用手铳400 杆。另外还有骑兵1000人。这是中国乃至世界上最早的独立枪炮部队，比西班牙的火枪兵还要早100年。安置好神机营之后，于谦叫一些骑兵故作悠闲散漫，稀稀拉拉，三三两两地东游西逛。也先看到这个情况后，急忙派遣一万骑兵，迅速攻向德胜门。当瓦剌骑兵逼近德胜门时，只听枪炮齐鸣，硝烟四起，密集的枪弹和炮弹从空屋子中喷射而出。
神机营采用三段式的射击方法，即：把士兵分为3排，首先射击的是第一排处于队列1、3、5、7、9、11等位置的士兵；紧接着是处于队列2、4、6、8、10、12等位置的士兵射击。第一排的士兵在每一次射击之后，马上把空枪递给中间一排的士兵，并从中间一排的士兵手中接过装好弹药的神机铳。中间一排的士兵从第三排士兵手中接过已经装好弹药的神机铳，快速递给第一排士兵，同时，将从前排士兵的手中接过的空枪递给第三排士兵。第三排士兵主要任务是装弹药。这样一来，就保证了可以对敌人连续不断地射击，使敌人没有丝毫喘息的机会。发明这种方法的是明朝初年的名将沐英。此法领先世界200多年。
瓦剌兵哪里会料到，空屋里会暗藏机关。刹那间，瓦剌兵被炸得人仰马翻，鬼哭狼嚎。不一会儿，便死伤惨重，只得狼狈逃跑。他们回头又直冲向西直门，谁知还没站稳就遭到迎头痛击。他们又冲向土城，那里的居民爬到屋顶上，将砖头、石块扔向瓦剌兵阵营。瓦剌兵没占到一点儿便宜。明朝大军迅速赶到击溃了他们。双方接连战斗多次，每次都是以瓦剌兵的失败结束。也先待了5天，没捞到一点儿好处，他担心明朝的援军赶到，不敢恋战，只好灰溜溜撤兵回了大漠。就是在他撤兵途中，也被于谦一路追打到紫荆关。