袁應泰得知沈陽陷落，兩路援兵都已潰逃，急忙檄令各路兵馬集守遼陽，沿城布兵，嚴陣以待，又引太子河水灌滿城壕，護住城池。令薑弼、侯世祿、朱萬良等領兵馬，以太子河為屏風，列陣駐守，阻截八旗兵渡河。入夜，袁應泰與巡按張銓登上城東北角的鎮遠樓瞭望，見後金軍駐滿了城外四周，篝火映空，戰馬嘶鳴，營帳連綿，號角嗚嗚，聲勢駭人。袁應泰聽著渾河流水滔滔，想著遼陽即將一場血戰，他輕輕歎了口氣，呼著張銓的表字說道：“宇衡啊！後金軍來者不善，我看遼陽城勢難保全，我身為經略，當與遼陽共存亡，倘若城破，惟有一死以報皇恩。你身為巡按，無兵權也無守土之責，還是趁著後金圍城未久，連夜殺出城去，退守河西，招集殘部，以圖後舉。”
張銓搖頭，慘然說道：“卑職其實也無處可逃。自遼東興兵開戰，朝廷首創遼餉之征，如今每畝加賦增銀已至九厘，可說是竭盡天下財力以救遼東。卑職自束發受教，讀聖賢之書，遵孔孟之道。十三為童生，十五進學，二十歲舉孝廉，二十五歲在萬曆皇爺手裏中進士，拿了十八年的俸祿。身為朝廷命官，不能替朝廷分憂，已覺慚愧無地，怎會有苟且偷生之想？文文山說：孔曰成仁，孟曰取義。惟其義盡，所以仁至。讀聖賢書，所學何事？至今而後，庶幾無愧！大人不要再逼卑職了。”
袁應泰不好再說什麼，含淚連連點頭。
次日，努爾哈赤命左翼四旗攻打小西門，右翼四旗攻打東門，明軍據守城頭兩麵反擊，火箭亂飛，大炮轟鳴，後金軍傷亡極多，努爾哈赤見久攻不克，下令收兵，與眾將商議。皇太極道：“遼陽城垣高大寬厚，遠過沈陽，更不宜強攻，最好如攻打沈陽一般，如法炮製。”
努爾哈赤皺眉道：“一計不可再用，不然就給人家識破了，勞而無功。如今想用間也難了，袁應泰有了沈陽之鑒，勢必嚴加稽查，進城不易，進去不被發覺更難。”
李永芳道：“汗王，奴才的兒女親家馬汝龍有個弟弟馬應龍，就住在遼陽城內，可做內應。”
“那就請貴親家到城內走一趟。若能成功，必有重賞。”努爾哈赤大喜。
皇太極道：“引袁應泰出城也不難……”他見範文程會心一笑，想是已猜到幾分，“先在城外暗伏精兵，然後高張旗幟，棄城南下，虛張聲勢，進擊山海關、薊鎮，袁應泰必不敢坐視，等他出城追擊，伏兵殺出，一鼓可取遼陽。”
努爾哈赤分兵兩路，命碩讬帶三千人馬，遍插旌旗，向山海關進發。袁應泰接報大驚，登上城頭遠遠望去，果見後金兵馬拔營而去，離開遼陽城，向西南方疾馳，跺腳道：“後金猝然兵臨山海關，關上將士以為有遼陽可為屏障，必不會加防備，一旦山海關破，後金長驅直入，京師震動，實在百死莫贖。”即刻傳調總兵胡嘉棟、副將劉光祚率青州兵尾追，朱萬良、薑弼、侯世祿與李秉誠、梁仲善、周世祿統帥的兩部兵馬，出城西擺陣接應。
努爾哈赤揮動軍旗，碩讬率先領兵返回衝殺，代善、阿敏、莽古爾泰、皇太極等人伏兵殺出，從午時一直殺到傍晚，明軍大敗，梁仲善、朱萬良戰死，士卒潰散，逃入城中。當晚，努爾哈赤分兵攻城，無奈護城河水寬且深，兵馬不得近戰，城上火炮、火箭齊放，後金傷亡慘重，攻城受挫。
一夜攻城，毫無所獲。晨曦微露，努爾哈赤帶著侍衛沿城查看，見護城河水自東引來太子河水，順著地勢向西流淌，東為入水口，西為閘門。若將入水口封堵，打開西麵閘門，護城河內的水便會泄走。他當即命兵卒運石擔土，將東麵入水口堵住，工夫不大，河內水勢漸淺，不少地方幹涸見底。努爾哈赤命左右兩翼兵馬，乘機攻城。城上明軍放火箭、擲火罐，奮力抵抗，雙方激戰，互有傷亡。
城內馬應龍接到哥哥馬汝龍的口信，暗命兒子馬承林與結義兄弟柯汝棟幾人，將侍衛總管阿敦等人接入家中，藏在地窖內，躲過了明軍的巡查。過了兩天，城外攻勢極猛，明軍傷亡極眾，無暇巡查，他們趁著城中混亂，傍晚時分，裝扮成明軍模樣，趕到城內小西門。小西門乃是城中的倉庫，堆放著火藥、器械、糧草等一應物品。幾人將草場點燃，又燒了守軍的窩鋪、火藥庫，登時火光衝天，濃煙四起，明軍見倉庫火起，肝膽俱裂，馬承林、柯汝棟乘機砍翻了城門的守軍，打開西門。守將監司高出、牛維曜、胡嘉棟、戶部督餉郎中傅國等人紛紛縋城而逃，軍卒四散。後金兵馬趁勢登城，沿城追殺。
袁應泰正在鎮遠樓督戰，見西城已破，樓外喊殺連天，知道大勢已去，佩戴好尚方寶劍，揣上朝廷印信，默默西望京城，跪拜叩首：“萬歲，臣不能守衛疆土，惟有一死以報陛下隆恩了！”解帶懸梁，引頸自縊。一旁流淚的妻弟姚居秀也不阻攔，跟著他自縊而死。家奴唐世明從樓下提刀跑上來，本想護衛著主人離開，見他倆雙雙掛在房梁上，揮刀砍斷繩帶，將二人平放在樓內，伏屍痛哭：“老爺，小的來晚了！救不得老爺，小的也無臉麵活在世上，就隨老爺去了。”向外望望後金兵卒舞刀呐喊，蜂擁而來，他將樓門關閉，縱火焚樓，大火熊熊，嗶嗶剝剝，朱漆巨柱的鎮遠樓眨眼間化作了片片瓦礫，一堆灰燼。努爾哈赤望著一縷青煙飄進蒼穹，驚歎良久：“大明有如此忠臣，非三五年可亡！”命人揀出袁應泰等人得骸骨，用上好棺木殮葬。
三月二十二日，晴空萬裏，鼓樂喧天，在一聲聲禮炮聲中，努爾哈赤威風凜凜地進了遼陽城，街道兩旁官民百姓跪伏迎接。
遼陽城破，遼、沈西南二百餘裏，人民紛紛外逃，民宅一空，經月不見煙火。遼東周圍的金州、海州、複州、蓋州、耀州等大小七十餘城，數日之內，傳檄而定，望風歸降後金。
遼、沈接連失陷，朝廷大為震恐，天啟皇帝這時想起了熊廷弼，對他的去職深感悔恨，將馮三元、張修德、魏應嘉各降三級，姚宗文除籍去名，永不敘用。下詔再度起用熊廷弼為遼東經略。
熊廷弼回到江夏，傷心摧肝，憂愁鬱結，病倒在床，想著自此訣別仕宦，桑麻稼穡，了卻殘生。眼看病體好轉，已勉強拄杖到庭院漫步，京中六百裏加急傳下聖旨，他顫抖著身子跪下叩拜傾聽，心裏卻想著如何推辭。聖旨竟寫得情辭懇切，稱讚了熊廷弼守遼之功，有如皇上對麵而語，當聽到“卿勉為朕一出，籌畫安攘”，熊廷弼登時淚流滿麵，哽咽道：“臣就是受了天大的委屈，也不須皇上這般自責！皇上知遇之恩，臣就是萬死也難報答。”扶病而起，拜過祖塋，帶著熊忠起身赴京。天啟皇帝賜了一襲麒麟服，親與文武大臣陪在東郊設宴餞行，並從京營選調五千人護送他到遼東。
此時的遼東滿目瘡痍，糜爛之極。三岔河以東均落入後金手中，遼東軍民，除金州、複州等地和東山礦徒結寨自固外，其餘死的死，降的降，逃的逃。五萬多殘兵敗卒散落在寧前一帶，四萬人逃到了海島或渡海到了登、萊，還有兩萬多人逃到了朝鮮。遼河以西，人心惶惶，競相往關內逃命。熊廷弼邊走邊思謀收複遼東方略，一連幾夜在驛站輾轉反側，夜深難眠，將方略寫成條陳，途中拜發，力陳收複遼東的“三方並進”之策：以廣寧為根基，部署重兵，抗擊後金；在天津、登、萊各置舟師，以備將來進攻金、複、海、蓋等地；遼東、天津、登、萊各設巡撫、總兵，經略駐山海關，節製三方，統一事權。
六月初六，兵部尚書兼都察院右副都禦史駐紮山海經略遼東等處軍務的熊廷弼，在山海關籌劃複遼大計。請兵部抽選各鎮精兵二十餘萬，戶、工二部準備糧餉、器械；請任用在遼東頗有威望的劉國縉、佟卜年、洪敷教等為總兵、副將，以收遼人之心；調工匠，買鐵，伐木，製車，造炮等。事無巨細，躬親自為。
“熊蠻子又回了遼東？”在遼陽八角金殿與阿巴亥歡宴的努爾哈赤吃驚地看著哨探，險些將酒杯掉在地上。
“熊廷弼已到了山海關。”
努爾哈赤擺手命哨探退下，心裏不禁有些頹然。阿巴亥軟語溫存道：“汗王，那熊廷弼也不是什麼大羅神仙，何必這樣懼他？”
“朕不是懼他，是不想與他糾纏。朕本無意滅亡明朝，隻想滿、漢各自為國，不想深入漢地，變受漢俗，如此咱們後金勢必衰弱，如遼、金、元一樣，國運不長。如今熊蠻子複來遼東，遼西必是難取了，關外何時可盡歸後金？朕今年已六十三歲，等不得了。”
“汗王身體素來康泰，日子長著呢！”阿巴亥聽他語出不祥，心裏隱隱有些不安，自己雖身為大福晉，可三個兒子還未長大成人，阿濟格剛剛十六歲，多爾袞和多鐸一個九歲，一個七歲，還頂不了什麼大事，不由呆了一呆，正想要他帶阿濟格出征，掙下些軍功，也好有個封賞，李永芳匆匆進來，拜見說：“給汗王、大福晉請安。”
“什麼事？”
“遼東巡撫派人給奴才送來密信，要聯絡奴才反水，歸順明朝。”李永芳遞上一封密函。努爾哈赤取出，見筆畫甚是潦草，辨識不全，問道：“你打算怎麼辦？”
李永芳撲通跪倒，叩頭說：“汗王待奴才推心置腹，恩情深厚，奴才斷不會聽他蠱惑！”
努爾哈赤笑道：“快起來！你既來稟明了朕，朕自然信得過你。朕還發愁無從得知明軍機密，他送上門來，不可錯過，正好趁此刺探明軍的動靜。”
李永芳驚喜問道：“汗王之意可是想用反間計？”
“不錯，王化貞要你做內應，朕則將計就計，所謂敵有間來窺我，我必先知之，或厚賂誘之，反為我用；或佯為不覺，示以偽情而縱之，則敵人之間，反為我用也。”努爾哈赤捋髯微笑，氣定神閑，似是成竹在胸，把握了勝算。