無論如何努爾哈赤也無法自己折戟沉沙的事實，不肯服輸的性格讓他決心一搏。正月二十日，後金軍探到寧遠城十裏之遙的覺華島，是明軍重要囤積糧大營。狡猾的努爾哈赤聽聞情況遂決意分兵攻覺華島，縱使寧遠不克，若能焚毀明軍關外儲糧亦可給予明軍沉重擊。努爾哈赤命武納格等將統領後金軍中的蒙古騎兵八女騎兵，向覺華島發起突然進攻。明軍所以囤糧於覺華島，其本意欲憑借波濤遼闊的麵阻隔缺少舟師的後金軍，然而時值隆冬天寒地凍水冰封實已無險可憑。駐守覺華島的明參將姚撫民等率領官兵，企圖鑿開一條長達十裏的冰濠抗拒敵軍。怎奈天氣酷寒憑明軍如何鑿冰不息，水很快又凍結成冰。二十日晨，後金軍分列十二隊踏冰渡攻島。駐守覺華島的四營明軍不過八千眾，“鑿冰寒苦，既無盔甲、兵械，又係水手，不能耐戰”。一經八旗鐵騎猛然衝殺守島明軍不敵很快潰敗，隻一個時辰覺華島便淪陷了。奪島後後金軍官兵將其在寧遠城下死傷累累苦戰無的滿腔憤恨，統統發泄在覺華島上可憐的明朝軍民身上，島上千餘明軍千餘商民俱遭後金軍無情殺戮。明朝同程維楧在描述覺華島慘狀時痛心不已地說，“虜騎既至，逢人立碎，可憐八千之將卒，八千之商民，無一不顛靡爛者”。除一萬四千遇難的明朝軍民外，島上八萬餘石糧草、千餘所糧芻、兩千餘艘船也都盡為後金軍焚毀。
奪占覺華島，是後金軍此出征得的一不小勝利。但覺華島分戰場的勝利並不能彌補努爾哈赤在寧遠城下遭的深深挫敗感。因著王者無敵於天下的自尊，努爾哈赤炯炯目始終盯著那座頑擋在他麵前的寧遠城。隻有拔掉寧遠，能撫努爾哈赤那顆帝王雄心。當時東江毛文龍為促後金軍師，也從皮島出兵襲擊後金後方永寧。可是努爾哈赤對此全然不顧執意繼續圍攻寧遠。老汗王努爾哈赤是雄心不死，可後金將士們鬥全無啊！寧遠的堅城利炮已然把後金官兵嚇破了膽。一群喪氣奪魄的士兵又如何能戰！為鼓舞士氣重振軍心，努爾哈赤決意重演遼陽城前他匹馬獨進提振全軍士氣，進而扭轉個戰局的經典往昔。然而努爾哈赤疏忽了至關重要的一點，寧遠不是遼陽，寧遠城上配有射程遠、威力大的紅夷大炮。
正月二十日，努爾哈赤著黃羅傘蓋親臨戰場最前沿，揮後金軍繼續攻城。後金大汗甘與將士冒箭矢彈雨這絕對夠激勵人心的，同時也能充分體現出努爾哈赤的王者無畏，以他對寧遠軍民的輕蔑之情。但親臨前沿的舉動太過冒險，尤其努爾哈赤還冒失地著黃鑾儀仗，目標太過招搖太過明顯了。寧遠明軍發現後立調轉炮口，對著黃羅傘蓋下的目標就是一炮。訓練有素的明軍炮手得很準，爆炸衝擊波一下子把努爾哈赤從戰馬上掀下來。硝煙未散就見後金大汗已倒在血泊中。後金諸貝勒大臣見狀嚎啕大哭連忙纏裹抗抬而去，脫離明軍炮火後又急忙搶救，努爾哈赤雖未立斃卻也身負重傷。明人當時隻道是炮中後金勳貴但不其身份生死。故《明熹宗實錄》記載，“奴賊攻寧遠，炮斃一大頭目，用紅包裹，眾賊抬去，聲大哭”。而《石匱書後》記載，“炮過處……並黃龍幕，傷一裨王。騎謂出兵不利，以皮革裹屍，號哭奔去”。後金軍本已力竭膽寒，最高統帥又身負重傷，這仗哪還能。於是暮色中曾經席卷個遼東的八旗鐵騎，帶著無盡憤恨與無奈黯然撤離了依舊巍然屹立的寧遠城。至正月二十日，後金軍全部撤離。二月初日，後金敗軍返沈陽。
寧遠之戰又稱寧遠大捷。此戰中袁崇煥以不足兩萬守軍，給予了大驕橫的後金軍以沉重擊。對於後金軍傷亡，朝官方文獻《實錄》隻諱稱“折遊擊二員、備禦二員、兵五人”。因難以統計後金自行焚化的戰死士兵，明朝也僅概略為“傷虜數千，內有頭目數人、酋子一人”。不過明末初的耶穌傳士衛匡國經多方，認為“韃靼（後金軍）損失了一萬人，迫撤退”。而朝鮮官方記載的後金傷亡還要為慘重，朝鮮《李朝實錄》稱，“奴賊敗於寧遠，軍士死者數萬餘，其孫稱王者亦死矣”。無論哪一種說法，古中外學者大都肯定，自有遼事以來後金在寧遠之戰的傷亡最為慘重。重要的，寧遠大捷是明朝與後金開戰以來首重大勝利，一舉破了後金軍此前不可戰勝的神話，極大鼓舞了明朝軍民士氣。寧遠圍時明朝舉國上下人情洶洶，大多都以寧遠難矣。待至寧遠捷報傳來，京師姓巷相慶。兵部尚書王永不勝感慨地說，“遼左發難，各城望風奔潰。八年來賊始一挫，乃中國有人矣”。明熹宗亦欣喜曰，“此八年來所絕無，深足為封疆吐氣”，“朕心嘉悅”。明熹宗為此賜獎諭，命戶部兵部發幣金十萬兩犒賞寧遠城將士。又獎賞寧前道袁崇煥白銀一千兩，升職為右僉都禦史仍鎮守寧遠，滿桂、趙率升授總兵官並加都督同職銜。三月，朝廷又命袁崇煥為遼東巡撫兼兵部右侍郎職銜，獎賞銀幣，同時袁崇煥子孫蔭錦衣千戶。