明英宗的亲征军在土木堡驻师之后干了两件事，第一件是修筑防御工事，防范瓦剌大军来袭。据蒙古方面史料《蒙古黄金史纲》记载，瓦剌军与明军“早途相遇，汉人筑起重围，无法接近”。也就是说明军驻扎土木堡之后并非被瓦剌直接炸营崩溃，而是构筑了大量防御工事，与瓦剌军形成对峙。第二件事就是挖地三尺寻找水源，这是关系全军安危之大事，直接决定了明军能够在包围中支撑多久。根据明人记载，明英宗驻扎地过去也是存在水源的（陆容《菽园杂记》载“此山旧有泉一道，流入浑河，未尝干涩，至此适涸”），可是明英宗不走运，大军驻扎时水源已干涸，明军一直深挖至二丈有余，仍然不见地下水，临时掘井之计划遂告破产。
八月十五日，十余万明军已断水三日，人困马乏，饥渴难耐，官兵士气萎靡，濒临崩溃。恰在此时，瓦剌军竟然派遣使者到亲征军的营地来议和休战。与此同时，明军发现包围了他们三天的也先部队竟然全部撤围了。在大军饥渴交加，军心不稳之际，也先忽然遣使议和无异如遇甘霖，加上瓦剌军撤围，朱祁镇到底太年轻，选择相信也先，下令全军开拔。快渴疯了的明军听此令如蒙大赦，随后奔出防御工事，向南方水源处一哄而去，全军秩序大乱。
英宗做梦也没想到，所谓议和不过是也先的诱敌之计，当明军向水边蜂拥之时，忽然杀声震天，马蹄动地，瓦剌骑兵从四面八方奔袭而来。接下来就发生了《明史纪事本末》中记载的一幕——“敌复四面攻围，兵士争先奔逸，势不能止。铁骑蹂阵而入，奋长刀以砍大军，大呼解甲投刀者不杀。众裸袒相蹈藉死，蔽野塞川，宦侍、虎贲矢被体如猬。”
国历图片剧《土木之变·王振殒命》
瓦剌骑兵四面八方杀来，已缺水三日，士气萎靡毫无准备的明军瞬间成了待宰羔羊。瓦剌军持枪入阵，左突右刺收割无数人头，同时箭如雨下，乱作一团的宦官、大臣、侍卫们皆被射成刺猬。有意思的是瓦剌兵主要目的不在屠杀，而是抢夺兵甲器杖，一边破阵，一边大喊缴枪卸甲者不杀。面对凶悍的瓦剌骑兵，阵脚大乱的明军只顾丢盔弃甲，全无抵抗之意。这已不是战斗，而是一场全军大溃逃！亲历这场帝国灭顶之灾的李贤后来写道：“（明军）竟无一人与斗，俱解甲去衣以待死，或奔营中，（所弃兵甲器仗）累跌如山。”
在这场屠戮中，不仅数以万计的明军士兵化为瓦剌骑兵的刀下亡魂，还有跟随英宗亲征的数十名文武官员也大多成了牺牲品，他们有：英国公张辅，此公早在朱棣当燕王时期就已崭露头角，是正统朝尚存为数不多的“靖难老兵”，永乐年间参与征讨交趾、北伐蒙古诸役，宣德年间又随明宣宗平定汉王朱高煦之乱，这位四朝老臣一生戎马，身经百战，想不到这次以75岁高龄随驾出征，竟殒命于土木堡，令人唏嘘；兵部尚书邝埜，亲征前曾多次劝阻，不为英宗所纳，回师途中又数度苦谏英宗迅速进军，受辱于太监王振，至土木之变，竟也为之陪葬；户部尚书王佐，自出仕以来，所到之处，事无不办，办必有果，政绩茂闻朝野，不想也在这次亲征中魂断土木堡，是为明帝国之一大损失。此外，死难者还有泰宁侯陈瀛、平乡伯陈怀、襄城伯李襄、吏部左侍郎兼翰林学士曹鼐、工部右侍郎王永和等数十位勋贵、大臣。
当然，那位权倾朝野，作威作福的大太监王振也殒命于土木堡之役，只是这位大太监之死也与他的出身一样扑朔迷离。