二月，八旗精兵長驅直下一路殺下了大小淩河、錦州、杏山、塔山諸、堡連山等地區，兵勢浩不見邊，刀槍劍戟如林，19日到達寧遠城下，努爾哈赤派人勸降道：“我以三十萬人來攻，此城破之必矣！”袁崇煥回答說：“義當死守，豈有降理！且稱來兵三十萬，予亦豈少之哉？”努爾哈赤先派兵繞過寧遠城，切斷了寧城和山海關的聯絡，以防明軍增援。其實努爾哈赤多此一舉，他不派兵，高第也決不會來援。但袁崇煥並不畏懼，他派總兵滿桂、參將祖大壽分兵把守四門，把城外居民遷入城內，堅壁清野，組織居民、商人送水送飯，並刺血作書、激勵將士，還把遠在山西的妻子兒女接入城中，以示與寧遠城共存亡。滿清軍隊在寧遠城內軍民總動員、嚴陣以待的情況下，終於開始發動進攻了。
滿清的軍隊十分善戰，結果在同李自成在一片飛石大戰之中，喊一聲“辮子兵來了”，久經沙場的農民軍竟然就“嘩”地潰退了，而且一退不可收拾。在攻打寧遠城時，也十分凶猛。滿清軍隊用鐵甲兵攻城，這些人身穿兩層鐵甲，不畏矢石，豎起梯子，奮勇上攀。再用鐵皮車做掩護，挖掘城牆，城牆竟被挖出了許多缺口。袁崇煥的軍隊也十分勇敢善戰，他們在城上安裝了幾門西洋進口的紅夷大炮，每一炮都給敵人以深重的打擊，對近處的爬城軍士，則從垛口上伸出許多長長的木櫃子，櫃子裏裝著士兵，士兵居高臨下，用石頭和箭矢打擊敵人，再扔出浸有油脂和硫磺的被絮等物燃燒敵人的戰具。就這樣，滿清軍隊一次又一次的猛烈進攻，而一次又一次地被打退了。
袁崇煥是文人出身，在平時情況下他扮成一員儒將不動不響，如諸葛亮一般，他乘轎指揮戰鬥。他的最大特點是鎮靜，即使敵兵攻破了城牆，他也一點不慌，而是披上盔甲，和戰士們一起運石補牆。在這次戰役中，他負傷數處。敵人退卻時，他又組織敢死隊，縋下城牆，追殺敵人，並撿回箭枝十餘萬支。在這次戰爭之中打敗了滿清士兵，還殺死了統率三十名，士兵的什麼意思十多人。
敵軍撤走以後，袁崇煥還以以往的儒者的風度，派使者送信對努爾哈赤說：“老將縱橫數十年，無有不勝，今敗於小事之手，恐怕是天意啊！”努爾哈赤也很客氣地致書袁崇煥，並贈以馬匹，“約期再戰”。努爾哈赤在攻城時受了炮傷，隻得躺在車中鬱鬱而回。他對諸貝勒說：“我自二十五歲起兵以來，戰無不勝，攻無不克，曆時四十三年，獨不克寧遠一座孤城。”抑鬱中背上又生了一些毒瘡，這又是傷又是病的，月後就死在沈陽以西四十裏的璦雞堡。
自此以後，滿清軍隊對袁崇煥又敬又畏。
這個天大的喜事寧遠大捷的消息傳到京城，朝野上下都高興得不得了，一個個喜出望外，一片歡呼。高第因沒有援救寧遠而被免職，由兵部尚書王之臣取代。袁崇煥升為四品右僉都禦史。袁崇煥之處又主動出擊，又陸續收複了高第所卻放棄的土地。
自從努爾哈赤死後，兒子皇太極又繼位，建立了清朝。皇太極是中國曆史上少有的一位具有雄才大略的皇帝，他采取正確的戰略，暫時放棄寧遠，轉而攻打朝鮮。就當時明清而言，雙方都需要一段休戰時間，以便實行各自的計劃。明方需要築城、練兵，清方則要進攻朝鮮，掠奪財富，鞏固統治。而兩方則完全不同。
在這種局勢下，袁崇煥提出與皇太極和藹的談一談，皇太極也示表示讚同，但明皇帝和許多大臣堅決反對，滿清從來都是附庸國，皇太極不夠談判對手的資格。袁崇煥和皇太極商議和談時，皇太極利用這個機會打敗了朝鮮，袁崇煥也加緊修築錦州中左、大小淩河等地的防禦工事，並派出援朝軍隊，隻因朝鮮很快就被明軍打敗了，打敗了以後他們就退了回來，固然沒有和清軍發生衝突。
因為皇太極進攻朝鮮取得了很大的勝利，財物得到了補充，局勢也慢慢的穩定下來，但他看到袁崇煥修城池，練兵馬，勢力越來越強大，如不加緊攻擊，會越來越難對負，現在求和又不成，皇太極便決定“以戰來求和”。
公元1627（天啟七年），皇太極率著他的大軍打敗了遼西的許多軍事重鎮，攻陷了大小淩河，隨即又攻錦州。到6月4日，將領趙率教率領明軍與皇太極展開激戰。清軍損失慘重，但還是沒有將錦州攻下來。皇太極見攻錦州不成，就轉攻寧遠。袁崇煥嚴陣以待，成竹在胸，兩軍相接，激戰兩天，雙方損失都很慘重，但皇太極還是沒攻下寧遠。皇太極再轉攻錦州，但錦州城守堅固，清兵死傷枕藉，無法攻克。當時正值炎熱季節，清軍很多人中暑，士氣低落，皇太極也隻有先撤圍回沈陽。