八旗兵剛擊敗杜鬆軍，偵騎又飛報開原路馬林軍至。馬林率軍“出三岔口，營稗子穀，夜聞杜鬆敗，林軍遂嘩”（《明史·潘宗顏傳》第291卷）。天明，與八旗軍相遇。
初二日，馬林軍在薩爾滸西北三十餘裏富勒哈山的尚間崖安營，浚濠塹，嚴斥堠（huò）。馬林見杜鬆兵敗，所部軍嘩，急忙轉攻為守，形成“牛頭陣”：馬林親自率軍駐尚間崖，依山結成方陣，環營挖三層壕，壕外排列騎兵，騎兵外布槍炮，火器外設騎兵，壕內布列精兵；潘宗顏在飛芬山紮營，杜鬆後部——龔念遂在斡琿鄂漠結營，兩營相距數裏，形成犄角。馬林雅好詩文，交遊名士，圖虛名，無將才。他自以為“牛頭陣”既能互相救援，又能以戰車和壕塹阻遏後金騎兵的馳突，以炮銃和火箭製服後金的弓矢。但他消極防禦，兵力分散，鼎足成陣，各營蠶縛，形成被動挨打的局麵，給努爾哈赤提供可乘之機。
聰明的努爾哈赤盡管有三倍於敵的兵力，卻沒有分兵圍攻明軍的三個營，而是集中兵力，先砍其“牛頭陣”的一隻犄角——龔念遂營。參將龔念遂、遊擊李希泌統領步騎，楯車屯營，環營浚壕，排列槍炮，嚴密防守。努爾哈赤攻打龔念遂營，也沒有四麵包圍，而是親自率領一千精騎，朝著其薄弱的一隅猛衝，“攻打進去，推倒楯車”（《滿文老檔·太祖》第8卷），突破一個缺口。八旗兵像洪水似地從缺口湧進龔念遂營，騎兵踩著死人和活人，衝突、砍削、狂奔、蹂躪。龔念遂營破戰死。努爾哈赤在斡琿鄂漠得勝之後，躍馬急馳尚間崖。
尚間崖的馬林營防守嚴整。努爾哈赤命“先據山巔，向下衝擊”（《清太祖高皇帝實錄》第6卷），但見馬林營內與壕外兵彙合，又命“停止攻取山上，下馬徒步應戰”。大貝勒代善、二貝勒阿敏、三貝勒莽古爾泰各率兵鼓勇急進，衝向馬林營。營中明軍發鳥槍、放巨炮，但“火未及用，刃已加頸”（於燕芳：《剿奴議撮》）。兩軍短兵相接，騎兵橫馳，利刃飛舞。後金兵受傷者甚多，勇將揚古利“裹創係腕”（《滿洲名醫傳》第1卷），率牛錄額真馳擊，兵馬齊擁激戰。正在酣戰之際，馬林恐甚，策馬先奔。《明神宗實錄》記載：“敵至，林甚恐，遂提部下兵，避其鋒以去。”主將馬林先遁，副將麻岩戰死，餘眾大潰，全營皆沒。明軍“死者遍山穀間，血流尚間崖下，河水為之盡赤”（《清太祖高皇帝實錄》第6卷）。努爾哈赤攻下尚間崖馬林營，又馬不停蹄地馳往飛芬山潘宗顏營。
飛芬山的潘宗顏據山紮營，楯車為壘，環列火器，督軍堅守。努爾哈赤指揮八旗，令一半兵下馬，重甲兵持刀槍在前，輕甲兵操弓矢在後；另一半兵騎馬，包圍飛芬山——步騎冒死前進，仰山而攻。潘宗顏“奮呼衝擊，膽氣彌厲”（《明史·潘宗顏傳》第291卷）。明軍居高臨下，施發火器。八旗軍突破營陣。兩軍混戰、周旋、廝殺、肉搏。炮隊迎步兵，鐵騎衝炮隊；蜿蜒動蕩，血肉橫飛。馬林“牛頭陣”的另一隻犄角也被砍掉，潘宗顏營潰戰死。其死時“骨糜肢裂，慘不忍聞”（《明神宗實錄》第580卷）。時葉赫貝勒金台石、布揚古“約助明兵，與潘宗顏合，至開原中固城，聞明兵敗，大驚而遁”（《清太祖高皇帝實錄》第6卷）。
至此，明北路馬林軍，除主將馬林僅以數騎逃回開原外，全軍覆沒。先是，開原道兵備僉事潘宗顏知馬林無將才，在出師之前致書經略楊鎬言：
林庸懦，不堪一麵之寄，乞易別帥當此重任，而以林遙作後應，庶其有濟；不然，不惟誤事，且恐此身實不自保。（《明神宗實錄》第580卷）
楊鎬不聽，果然馬林兵敗。