第四，堅壁清野，嚴防奸細。袁崇煥令盡焚城外房舍、積芻（chú），轉移城廂商民入城，轉運糧米藏覺華島。又以同知程維楧率員稽查奸細，“縱街民搜奸細，片時而盡”（《明熹宗實錄》第72卷）；派諸生巡守街巷路口。所以，“寧遠獨無奪門之叛民，內應之奸細”（《明熹宗實錄》第68卷）。
第五，兵民聯防，送食運彈。袁崇煥令通判金啟倧按城四隅，編派民夫，供給守城將士飲食。又派衛官裴國珍帶領城內商民，鳩辦物料，運矢石，送彈藥。
第六，整肅軍紀，以靜待動。袁崇煥嚴明軍紀，派官員巡視全城，命對擅自行動和城上兵下城者即殺。官兵上下，一心守城，“以必一之法，則心無不一，此則崇煥勵將士死守之法。其所以完城者，亦在此”（《明季東莞五忠傳·袁崇煥傳》）。他又從後金細作處，獲取先報，得以為備。一切準備就緒之後，偃旗息鼓，以靜待敵。
袁崇煥在緊張而有序地防禦寧遠，後金汗在驅騎急馳而整肅地奔向寧遠——一場寧遠大戰迫在眉睫。
努爾哈赤統率八旗軍西渡遼河之後，長驅直入，指向四虛無援的孤城寧遠。
二十二日，袁崇煥守城部署甫定。翌日，八旗軍穿過首山與螺峰之間形如關門之隘口，兵薄寧遠城郊。努爾哈赤與袁崇煥展開了明朝與後金關係史上著名的寧遠之戰。
二十三日，八旗軍進抵寧遠後，努爾哈赤命離城五裏，橫截山海大路，安營布陣。並在城北紮設大營。努爾哈赤在發起攻城之前，釋放被擄漢人回寧遠城，傳汗旨，勸投降；但遭到袁崇煥的嚴詞拒絕。《清太祖武皇帝實錄》載：
放捉獲漢人，入寧遠往告：“吾以二十萬兵攻此城，破之必矣！爾眾官若降，即封以高爵。”寧遠道袁崇煥答曰：“汗何故遽加兵耶？寧、錦二城，乃汗所棄之地，吾恢複之，義當死守，豈有降理！乃謂來兵二十萬，虛也，吾已知十三萬，豈其以爾為寡乎！”（《清太祖武皇帝實錄》第4卷）
袁崇煥拒絕努爾哈赤誘降之後，命家人羅立等向城北後金軍大營，施放西洋大炮，“遂一炮殲虜數百”（茅元儀：《督師紀略》第12卷）。旋移大營而西。努爾哈赤見袁崇煥既拒不投降，又炮擊大營，遂命準備戰具，明日攻城。
二十四日，後金兵推楯車，運鉤梯，步騎蜂擁進攻，萬矢齊射城上。城堞箭鏃如雨注，懸牌似蝟皮。後金軍集中攻打城西南角，左輔領兵堅守，祖大壽率軍應援，兩軍用矢石、鐵銃和西洋大炮下擊。後金兵死傷累累，又移攻南麵。努爾哈赤命在城門角兩台間火力薄弱處鑿城。守城軍“則門角兩台，攢對橫擊”（《明熹宗實錄》第70卷）。後金兵頂炮火，冒嚴寒，用斧鑿城。明軍發矢鏃，擲礌石，飛火球，投藥罐；後金兵前仆後繼，冒死不退，前鋒挖鑿凍土城，鑿開高二丈餘的大洞三四處，寧遠城受到嚴重威脅。袁崇煥在嚴重危機關頭，身先士卒，不幸負傷，“自裂戰袍，裹左傷處，戰益力；將卒愧，厲奮爭先，相翼蔽城”（《袁督師遺事遺稿彙輯》第3卷）。他“縛柴澆油，並攙火藥，用鐵繩係下燒之”（《明熹宗實錄》第67卷）；又選五十名健丁縋下，用棉花火藥等物燒殺挖城的後金兵。據明方疏報載：
賊遂鑿城高二丈餘者三四處，於是火毬、火把爭亂發下，更以鐵索垂火燒之，牌始焚，穴城之人始斃，賊稍卻。而金通判手放大炮，竟以此殞。城下賊屍堆積。（《明熹宗實錄》第70卷）
是日，後金軍攻城，自清晨至深夜，屍積城下，幾乎陷城。
二十五日，後金兵再傾力攻城。城上施放炮火，“炮過處，打死北騎無算”（張岱：《石匱書後集·袁崇煥傳》第11卷）。後金兵懼怕利炮，畏葸（xǐ）不前，“其酋長持刀驅兵，僅至城下而返”（《明熹宗實錄》第70卷）。後金兵士一麵搶走城下屍體，運至城西門外磚窯焚化；一麵繼續攻城。但“又不能克，乃收兵”。二日攻城，共折遊擊二員，備禦二員，兵五百（《清太祖武皇帝實錄》第4卷）。
二十六日，後金兵繼續圍城，並命武訥格率軍履冰渡海，攻覺華島。守軍鑿冰為濠，阻遏敵騎；但嚴冬寒冰，隨破隨結。武訥格僅率八百騎登島破城，明守島七千將士全軍覆沒，大量糧秣和二千餘船隻被焚，明經營多年的後勤基地被摧毀。
二十七日，後金軍全部回師。
寧遠之役，後金某重要人物為明炮彈擊傷。各書記載略異，現征引如下：明薊遼經略高第奏報：
奴賊攻寧遠，炮斃一大頭目，用紅布包裹，眾賊抬去，放聲大哭。分兵一枝，攻覺華島，焚掠糧貨。（《明熹宗實錄》第68卷）