这一迂回奔走，使反扑过来的瓦剌大队骑兵得以渐渐逼近。大军刚要从宣府开拔，已有信使来报，也先追军与殿后的部队接上了火，恭顺侯吴克忠和其弟吴克勤力战而死，后军已全都溃散。皇帝急命成国公朱勇、永顺伯薛绶领官军三万前往增援，朱勇有勇无谋，进军至地势险要的鹞儿岭时冒险轻进，中了埋伏，瓦剌骑兵于山两翼邀阻夹攻，轮番冲杀，把三万明军杀掠殆尽。
次日，大军撤至怀来县西南20里处的土木堡驻扎。稍有军事常识人的都知道，应该撤入怀来，据城坚守，但王振以大批辎重尚未跟上为由，不听劝阻强在此间扎营。土木堡地势较高，挖地两丈余都不见砂土里渗出一滴水来，连军马食用的草都找不到。而唯一的水源，距离此地十五里开外的一条河已被瓦剌骑兵占领。这么多人马挤在一处，饥渴交加，一天下来已人心涣散。此时再想移营别处已不可能，蒙古大军已将土木堡团团围住。瓦剌骑兵从堡旁的麻峪口分道进攻，都指挥郭懋拒战一整夜，敌人却越聚越多，到天亮时分，如同黑压压的蚂蚁一般把小小的土木堡围得水泄不通。
八月十五日早晨，也先遣使前来议和，皇帝命曹鼐草敕议和文书，派出两名通事与来使一同去也先大营。瓦剌兵佯作撤退，王振一见对方兵退，急令移营，回旋之间，队伍已不攻自乱。南行才三四里，瓦剌兵从四面发起攻击，又以铁骑蹂阵而入，奋长刀以砍大军，大呼解甲投刀者不杀。明军争先逃跑，如溃坝的潮水一般不可阻止。军士被踩踏而死者不计其数，蔽野塞川。箭如飞蝗一般射向中军大营，皇帝近旁的宦侍、护卫们全被射成了一只只刺猬。混乱中，王振被护卫将军樊忠杀死。
朱祁镇在亲兵的护卫下试图突围而不得出，最后被瓦剌兵俘虏。这一战以明军大败告终，折损数十万人，骡马二十余万并衣甲器械辎重，也尽为也先缴获。英国公张辅、泰宁侯陈瀛、驸马都尉井源、户部尚书王佐、兵部尚书邝埜、翰林院学士曹鼐、张益而下数百僚属全都死于乱兵，从臣得脱者仅寥寥数人 ()。①
《明史纪事本末》记载了朱祁镇被俘前后的一些细节：见突围无望，朱祁镇下马盘膝面南而坐，身边唯有一个叫喜宁的宦官陪侍。有一个瓦剌军士见他衣着华贵，于是强行索要，朱祁镇不给，军士正要行凶，另一人劝阻说，这人举措沉着，看来不像凡人，就把他送到了也先之弟赛刊王那里。朱祁镇的一番问话吓了他们一大跳：“你是何人？是也先？是伯颜帖木儿？是赛刊王？还是大同王？”赛刊王赶紧派人驰见也先，报告说部下抓获一人，行为言语甚异，莫非真是大明天子？也先召了两个明军俘虏问情形，这两人远远一见，就说，真的是皇帝啊。也先大喜：“我常常祷告上天，求大元一统天下，今天果然奏此大捷。”有人提议杀了明朝皇帝，也先以为两军交战刀兵无情，明朝皇帝却不中一刀一箭，岂非有上天护之，杀了他就是违了天意，令部下好生看护。也先等拥着朱祁镇到宣府，传谕守将开城门出迎，城上人说，我们所守的是陛下的城池，天色已晚不敢奉诏。瓦剌兵又到大同城下索要金帛财物，守城的郭登等人出城迎谒，伏地恸哭，献上金币两万。此时瓦剌大营扎在城西，郭登挑选死士趁着夜间策划了一次救援行动，没有成功，第二日一早，只好眼睁睁地看着瓦剌兵拥着朱祁镇北上了。
