沈陽失陷時明朝遼東的“驍將勁卒，皆萃沈、奉”，這導致遼陽城中“兵不滿萬”還“身無介胄，不精利”，遼陽情勢可以說危如累卵。幸虧後金軍於渾河之戰中挫不淺，退沈陽後修了足足天。利用這寶貴天時間，經略袁應泰、巡按張銓急調各明軍馳援，又湊十三萬大軍於遼陽。遼陽是明朝在遼東地區統中心，城防本就十分堅固又經熊廷弼大力修繕，史稱遼陽“城高厚壯，屹然雄峙”。遼陽城外挖有濠溝三道，道濠溝寬三丈、深二丈。濠外複築大堤瀦水，還引入太子河水灌滿護城深壕。熊廷弼在時為遼陽配備了上萬門各大炮，其中門各重一千餘、二千餘、三千餘斤，威力巨大一炮便可斃敵數。
然而遼陽的堅固城防連同剛於渾河之戰遭的挫敗，都沒有讓努爾哈赤畏懼退縮。退沈陽經過日修，三月十八日，努爾哈赤召諸貝勒大臣商策定議，隨後毅然向遼陽進軍。
十日，努爾哈赤率軍進至遼陽城東角。此時努爾哈赤不占麼優勢，論兵力，明軍倍於後金。論天時，明軍以逸待勞。論地利，明軍有堅固城防可供依托。憑此三利，隻要袁應泰調度有方城死守，後金軍必定逡而巡退遼陽也斷無閃失。然而除了以上三利，明軍還有一大弊處。那就是在軍事揮上，不諳軍事韜略的袁應泰遠遠不老謀深的努爾哈赤，雙方軍事統帥的能力往往是決定戰場上勝負的關鍵。麵對高大雄偉守備森嚴的遼陽城，努爾哈赤絕不會蠢到不講策略去一味蠻攻。如那樣後金將士就堆屍如山也絕對攻不下遼陽。為此努爾哈赤決意重施前計。誘明軍出城，而後發揮後金軍野戰優勢殲敵於城外。隻是已在沈陽吃過大虧的明軍還會上當嗎？會的，因為狡猾的努爾哈赤遠比袁應泰高明。
袁應泰也曉得後金鐵騎的厲害，所以除了在城外派駐少量部隊用以防範後金軍，護護城河水源地太子河不遭破壞外。十三萬明軍都縮於遼陽城內憑堅城固守。然而袁應泰萬萬沒到，努爾哈赤率後金軍渡過太子河後沒有圍攻遼陽城。而是全軍朝著方向奔山關而去，同時還大肆鼓噪要“犯京師矣！”其實努爾哈赤實意圖就是借此引明軍出城。努爾哈赤的調虎離山計然奏效了，他隻一招就全盤亂了明軍前作戰部署。袁應泰聽聞後大驚失色，急忙調李秉誠、朱萬良、侯祿、薑弼、梁仲善總兵，統領精兵萬出遼陽城追擊後金軍。待萬明軍剛出城外，努爾哈赤揮後金軍猛然調頭重又撲遼陽。為防後金軍向山關，袁應泰隻好硬著頭皮下令，萬明軍於城下同後金軍正麵鋒。
不怎麼說遼陽城下列陣的萬明軍身後，有著重炮在內的眾多火供火力支援。同時後金軍剛於渾河挫，軍心不禁有些怯戰動搖。朝鮮《李朝實錄》記載，八旗軍“至遼陽，望見城池險固，兵眾甚盛，虜皆意沮欲退”。久經戰陣的努爾哈赤道，兩軍見陣時“軍心一怯，勢必危矣”。在這關鍵時刻，努爾哈赤以無所畏懼的英雄氣概於陣前斬釘截鐵地宣告，“一退時，我已死矣，你等須殺我後退去”，說努爾哈赤“匹馬獨進”率衝向明軍。主帥的舍生忘死和身士卒極大地鼓舞了後金軍鬥，後金將士由遂轉怯為勇軍心大振，八旗鐵騎猶如滾滾洪般向明軍洶湧而去。在這場沒有絲毫巧餘地的硬碰硬對決中，善於野戰的後金軍現出其悍攻擊力。在八旗鐵騎奮勇衝殺下，明軍漸漸不能相敵向後退卻。
十日入夜，雙方各自兵。明軍於城外紮營，經略袁應泰親宿於營中。二十日，雙方戰，城外明軍又後金軍攆至城牆下。但在明軍火壓製護城河阻隔下，後金軍攻勢一度挫。努爾哈赤見戰況不利，揮後金將士分兵堵塞護城河入水口，掘開閘口以泄濠水。待護城河幹涸後努爾哈赤又命兵士運土石填平，未能排幹填實的小門河也後金軍攻該河橋，而後順利衝過護城河的後金八旗兵推著楯車猛攻城牆。城下明軍排列三層火，明軍連連施火抵禦卻都為後金軍堅實的楯車化解。隨後八旗鐵騎呼嘯而至，在其猛烈衝殺下明軍大敗，明總兵梁仲善、朱萬良戰死。明軍潰兵望城而奔殺溺死者甚眾。經略袁應泰退入城內與巡按張銓統領城內明軍繼續禦守。後金軍則豎雲梯列楯車頂著城上密槍彈弓矢冒死攻城。對後金軍而言，棄馬攀城實在是以彼之所短對敵之所長，自身無疑會遭到很大傷亡。可若不半途而廢無功而返，那後金軍就必須得咬牙挺過這難熬一關。後金將士唯有以頑無畏的氣概前仆後繼冒死登爬，在成功登城後，又立與守城明軍開激烈肉搏。