也先军眼见无力攻下北京，明军勤王大军又渐渐接近京师，不得已率军退出北京地区。
也先军的退军路线十分值得解说。
根据《明实录》记载，在也先退却的同日，即十月十五日，居庸关遭到了鞑靼之未入关者（即阿剌知院）三万余人的攻打，撤军的也先同样加入了攻打居庸关的战团。
当时守卫居庸关的守将为副都御使罗通，罗通据城固守，视死如归。在瓦剌两部猛烈的攻打之下，居庸关西南隅栅突然颓圮，罗通急命老弱浇水灌城，当时天气寒冷，滴水为冰，冰城立成，吓得瓦剌军不敢靠近。
僵持七日后，居庸守将潘成、赵玟认为，居庸关兵力不足，守军以客军和募兵为主，长此以往，居庸关一定会沦陷，与其坐以待毙，不如奇兵巧出，歼敌于不测。于是明军选择了夜袭。明军观察到，瓦剌军夜间休息时，二人共宿一革囊，睡于两马之上。这样一旦有警，只要有一人惊醒， 就会连带叫醒第二个人，并且快速上马。瓦剌军夜晚宿营的时候用精锐重装骑兵将其他军队围在当中，以为屏障。另外每骑随一犬，有警则以犬吠为号。如此小心谨慎的军事部署，若要夜袭瓦剌大营，以明军现有的兵力，实为不易。于是罗通煮了不少熟羊肉，然后下药。在后半夜的时候，罗通命令“夜不收”悄然靠近瓦剌军边缘， 持羊肉投喂恶犬。狗吃了下药的羊肉，纷纷中招倒地不起。于是明军用绳索连套铁骑马足，使其不能任意奔走。一切准备就绪之后，胜利女神慢慢偏向明军的一边。
准备充分的明军主力悄悄打开居庸城门，涌入瓦剌军营。在瓦剌军毫无准备的情况下，明军环绕也先军大营，突然举火鼓噪，杀声震天，并举火炮四面乱击。迷迷糊糊不知道发生了什么事情的瓦剌军大惊失色，纷纷准备上马迎战。然而正在休息的战马受到明军火把、鼓噪和大炮的惊吓，变得狂躁而不受控制。战马嘶鸣，咆哮跳跃，欲要脱离此地，殊不知越是跳跃挣扎，明军套在马足上的绳索收缩得越紧，使得被裹在重装骑兵内部的瓦剌人更加无法突围。
明军眼见时机成熟，纷纷架炮轰击外围瓦剌铁骑，瓦剌军人马在铁骑圈内自相践踏，死者数千，蒙古军大溃。明军乘胜追击，三战三捷，俘虏瓦剌军统帅那吉帖木儿，斩夺人马盔甲以及弓箭数以千计，并夺回了瓦剌军所掳掠的京师城外居民。居庸关内的也先主力溃散后直奔紫荆关，居庸关外阿剌知院部也远遁，居庸关之围遂解。
但也先没想到的是，他的噩梦还没有结束。由于在居庸关耽误时间过多，明将石亨的追兵在也先溃逃时正好在紫荆关追上了他。也先军当时新败，军心本就不稳，也先亦惧怕石亨的追击。石亨利用他的这种心态，派遣间谍假意投降，到也先军营中，对也先说，石亨尚未至阵中，如今在阵中的统帅是假石亨，是来震慑你的军心的。也先因为刚刚战败，判断力下降，听信了明军间谍的话，率军来攻石亨。石亨趁着也先掉以轻心的好机会，率领石彪并精骑数十名，突然奋声大呼，直贯也先阵中，左右驰突，如入无人之境。
此战后，石亨的威名为瓦剌所知，以至于骁勇善战的蒙古勇士都称呼石亨为“石亨爷爷”。从这以后，瓦剌军再也不敢深入明朝的内地。
另一野战力量杨洪也连连大捷。在也先从北京撤退后，杨洪奉命与孙镗、范广等人率兵剿灭京畿附近那些尚未后撤，仍然在大肆劫掠的也先军残部。杨洪等一路进兵先至涿州，于霸州与“残虏”相遇，大破之，夺回被掳人口万余，马牛羊不计其数。此后杨洪又于固安取得大捷，生擒瓦剌将领阿归等人。
这里特别要提一下北京之战中瓦剌方面的伤亡情况。在明代人的记述中，也先的部队损失相当惨重。“所掠羊马货物弃遗如丘陵，虏号而奔，蹶枕藉，得归者才十之二三。”
在整个北京保卫战期间，对也先造成最大战损的明军当属石亨部。这个大同惨败的幸存者，在土木堡之变后，以失职的罪名被押赴京师审问。不久，也先长驱京师，此时有人向景泰帝推荐作战神勇的石亨， 景泰帝命令石亨出狱，戴罪立功。于是整个北京保卫战成了石亨的舞台。
《明实录》记载：“以武清侯石亨缴功次。册内将当先一万九千八百八十人升一级，阵亡者三千一百一十八人升二级。”这是战后明帝国对石亨部的封赏。北京保卫战时期的赏赐标准是：“敢勇当先，生获贼一名，或斩首一级，军民官总小旗甲军人升一级。”（也先攻入北京之前景泰帝之命令）也就是说，升一级的条件便是杀死或者生擒蒙古军一名。那么按照这个标准，石亨一部杀伤、俘获的瓦剌军在19880 人以上。
除石亨部外，宣府总兵杨洪所率明军也对瓦剌军造成了很大的杀伤。北京保卫战期间，杨洪曾率军六万追击败退的瓦剌军。杨洪一路追至拗羊山，击败其众，斩首数百级，俘虏敌酋阿归等人。
不过，明军的斩首数实际上要比真实的杀敌数少得多。因为蒙古素以拖回同伴尸体为战场首功，这是游牧民族的传统，比如匈奴人就规定谁带回战死者的尸体， 谁就可以分享死者的全部财产。因此，如果明军在一战中斩首数百级，那么瓦剌就可能付出了十余倍甚至更多的死伤。据推算，杨洪一路对瓦剌的杀伤数当为一二万之间。
结合前文，也先攻击北京时，大约有十万之众，奔逃到居庸关时仅余五万余人。石亨部和杨洪部作为明军主要野战队伍，共同的战绩大约在三万到四万间。因此瓦剌方的兵力损失与明军的战绩正好能够对应上。
一般来说，按照军事常识，最后掌握战场的一方宣布的战果更接近真实。如果这个战果能与对方兵力损失情况对应上，那就更具说服力了。因此可以说，在北京保卫战中，瓦剌阵亡人数在三万人以上。那么为什么也先方面只承认一万多的己方战损呢？这其实也很好理解。这类具有裹挟被征服者性质的联军，往往只会计算己方核心力量的损失，对仆从势力或部落的损失则会无视。由此看来，也先方所承认的一万多损失，很有可能仅指瓦剌本部的损失，至于鞑靼、兀良哈、哈密、沙州乃至女真仆从军的损失则被无视了。
北京保卫战最终以明军固守城池，主动出击并大败瓦剌军结束。明将在沿线的关隘均进行了顽强的抵抗，有效地拖延了也先进犯京师的时间。明军在北京城下悍不畏死、英勇奋战，彻底摧毁了也先的嚣张气焰，挫败了瓦剌逼迫明帝国南迁的企图。此战守住了明帝国国本，挽回了明帝国的尊严，也对明帝国京师、京畿和九边地区的军事建设产生了积极而深远的影响。
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