袁崇煥回答說道：
“你突然領兵來攻，那是什麼道理？錦州與寧遠兩城，你本來已經占領，又再放棄。我修好了來住，自然要死守，怎肯投降？你說有二十萬兵，未免誇張。你真正的兵力大約是十三萬，我倒也不以為來兵太少了。”
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燃放西洋大炮，一炮轟去，殲滅後金兵數百。
後金兵把大營移到西麵。
努爾哈赤見袁崇煥既拒不投降，又炮擊大營，於是命令部下準備戰鬥武器，準備明日攻城。
二十四日。
後金兵推著戰車，運著鉤梯，步兵、騎兵蜂擁而至，大舉攻城。
當時朝鮮使者帶著翻譯官韓瑗去北京朝見皇帝，剛到寧遠。袁崇煥很高興地招待使節及其隨從。
朝鮮使節見守軍甚是鎮定，暗暗感到奇怪。袁崇煥和三個幕僚閑談，及報清兵攻到，袁崇煥來至敵樓，又與韓瑗等談古論今，泰然自若，全無憂色。
過了不久，忽聽得一聲大炮，聲動天地。韓瑗大驚，隻嚇得低下頭抬不起來。
袁崇煥笑道：
“賊兵來了！”
韓瑗打開城頭的窗子，向外望去，隻見後金兵蔽野而來，城中卻聲息全無。
成千成萬的辮子兵衝到了城邊，突然之間，城頭舉起千千萬萬火把，矢石如雨般投下城去。
原來是袁崇煥故意空出外城，誘敵深入，金兵果然中計。戰事越來越激烈，明軍忽然從城頭的每一個石堞間推出一個又長又大的木櫃，這些櫃一半在垛內，一半探出城外，大櫃中伏有甲士，俯身射箭投石，投完了便將大木櫃拉進來，再將矢石出去投擲。跟著地雷爆發，土石飛揚，無數後金兵和馬匹被震上半空。
後金兵的先鋒部隊是鐵甲軍，每人身上都披兩層鐵甲，稱為“稱頭子”。後金兵以堅車攻城，車頂以生牛皮蒙住，矢石不能傷。
城內架起十一門西洋大炮，在城頭輪流轟擊，每一炮打出去死傷無數，此炮殺傷力有數裏。
金兵奮勇迫近，推了鐵裹車猛撞城牆，聲音轟隆轟隆，撞擊了很久，城牆破的地方很多。
後金兵再用像雲梯那樣的裹鐵高車來撞擊城牆高處。隨後又把裹鐵車推到城牆邊，上麵用木板遮住，以擋城頭投下的矢石。車裏藏了兵士，用鐵鍁挖掘城牆牆腳。
後金兵攻進了城牆下的死角，大炮已打不到他們。
在這危急之時，守軍想到了計策，抬了屋子前的長條大階沿石從城上投下去。階石十分沉重。鐵車上的木板擋不住，砸死了不少後金兵。
時間過了好久，城基終被挖成了一個個凹龕，後金兵士躲在城牆洞內向裏挖掘，城上再投大石下去，就打不到了。
這時寧遠四周十餘裏的城牆牆腳被挖得千孔百瘡，眼看城破在即，滿城百姓驚慌得很，有的抱怨說道：
“袁爺為了他自己一人，害死了我們滿城百姓。”
大家正在彷徨無奈，通判金啟倧（浙江人）臨時想出了幾件新式武器，將火藥撒在蘆花褥子和被單上，紛紛投到城下去。他將這種新武器取名為“萬人敵”。當時是正月，氣候酷寒，後金兵見到被褥，就都來搶奪。城上將火箭、硝磺等引火物投下去，“萬人敵”立即燃燒，燒死了無數攻城金兵。
另有一種“萬人敵”是將火藥放在空心的大泥團中，外麵圍以木框，點燃了藥引投下城去，泥團不斷旋轉噴火，燒死敵兵。不幸的是，那位通判在趕製“萬人敵”時，火藥濺上火星，不幸被燒死了。
這時城牆被撞垮了一丈多。袁崇煥不能再泰然自若了。
他親自搬石來堵塞缺口，連受了兩次傷，部將勸他保重。他卻厲聲喝道：
“寧遠雖隻區區一城，但與國家的存亡有關。寧遠若是不守，數年之後，咱們的父母兄弟都會成為奴隸。我若膽小怕死，就算僥幸保得一命，又有什麼樂趣？”
袁崇煥撕下戰袍裹了左臂的傷口又戰，將士在他的榜樣鼓舞之下，人人奮勇，終於堵上了缺口。
二十五日。
後金兵又猛攻。城上施放炮火，“炮過處，打死北騎無數”。後金兵懼怕利炮，畏縮不前，大將們馳馬驅兵，剛到城下，兵士就往回逃。後金兵士一麵搶走城下屍體，運至城西門外磚窖焚化；一麵繼續攻城。
但是，攻城不克，隻有收兵。
攻城兩天，金兵共損失了穿錦衣的軍官十餘人，即滿洲人稱為“牛錄額真”的，努爾哈赤在這次戰役中也受了重傷。
二十六日，後金兵繼續圍城。努爾哈赤命武訥格率軍履冰渡海，攻覺華島。覺華島位於遼西海灣，距寧遠六十華裏。島呈兩頭寬、中間窄、不規整形狀，孤立地懸於海中。
覺華島島形為龍形，“龍身”為山嶺，穿過狹窄的“龍脖”迤北，便是“龍頭”。“龍頭”地勢平坦，三麵臨海，北端有天然碼頭，適合停泊船隻。“龍頭”開闊地上建有明屯糧城，城呈矩形，牆高約三丈，底寬約一丈八尺。北牆設一門，通城外港口，是糧料運輸的通道。
南牆二門，與“龍脖”相通，便於龍島上往來。東西兩麵無門，利於防守，城內有糧囤、草垛及守城官兵營房。
努爾哈赤在寧遠城下失利，派兵突襲防守薄弱的覺華島。覺華島守軍鑿冰為壕，阻止敵人的騎兵。怎奈嚴冬寒冰，隨破隨結。
武訥格僅率八百騎登島就破了覺華城，島上軍民、糧料損失慘重。
史料記載，覺華島的士兵損失了有七千人，其中商民、男女殺戮最慘。給河車堡、筆架山、龍官寺、右屯的糧，全部被燒毀，損失很大。這次金兵攻寧遠不下，便遷怒於覺華。
後金汗努爾哈赤雖在寧遠城下失敗，卻在覺華島上得勝，使明守島七千將士全軍覆沒，大量糧秣和兩千餘船隻被焚，並使明經營多年之覺華島基地廢棄。就官兵死亡與糧船遭焚而言，明軍在覺華島上的損失，超過了後金軍在寧遠兵敗的損失。
第二日，滿兵大營毫無動靜。袁崇煥對皮廷相笑道：
“努爾哈赤傷得不輕。”
說罷，取出筆硯，修書一封，命人攜了禮物前去下戰書。
努爾哈赤接了戰書一看，隻見那上麵寫道：汗王殿下：吾聞老將軍橫行天下，所向無敵。今日敗在小將手中，豈非天數耶？三日內，貴軍若能攻破我城，吾等定當手提頭顱，前往迎接。若三日之內不能破城，請汗王自動退出錦州、廣寧諸城。
努爾哈赤乃是一代豪傑，豈能不知袁崇煥使的是激將之法？他哈哈大笑著，命大貝勒代善取良馬一匹，作為回禮，並命來使轉告袁崇煥：“明日再戰。”來使一去，諸貝勒便圍在努爾哈赤的身邊，問道：“陛下，您的身體……”汗王搖搖頭道：“我滿洲十幾萬大軍，連遼、沈、廣寧這樣的大城，都不在話下，豈能被區區寧遠四萬多人嚇破了膽？何況，袁崇煥若探知我身負重傷，豈不是更加於我不利？”
第二日一早，八旗軍果然如約而來，由降將李永芳率精兵配合四貝勒皇太極從西邊攻城。誰知八旗軍擁到城下，卻見城上無一守兵，城下卻鋪著一張張蘆花被。正在納悶，卻見城上突然擲下無數火箭，蘆花被一見火花，登時“劈裏啪啦”爆得蘆花滿天，將那臨近的八旗兵一個個都炸得血肉模糊。剩下的，一個個都嚇得四散而逃。
原來這一床床看似柔軟的蘆花被中，卻裝滿了火藥、鐵沙，一經引爆，立時威力無窮。城上的明軍見敵軍大潰，更是士氣高昂，連連往城下放炮放箭，每打中一敵，都互相鼓掌鼓勵。努爾哈赤躺在戰車之中，聽了彙報，心知敗局已定，隻好趕緊鳴金收兵。
高第經略聽說袁崇煥守衛孤城，竟將努爾哈赤打成了重傷，心中大喜過望，忙派精兵五萬，前來助陣。諸將聞知，趕緊抬著汗王努爾哈赤撤回沈陽。一路之上，眾士卒聽說汗王重傷難愈，都傷心得痛哭流涕。
二十六日後金兵退去後，寧遠城守軍將五十名敢死隊隊員用長繩縋到城下，在戰場上撿了十萬餘支箭。城牆上被挖開的洞穴足足有七十餘個。而此時彈藥殆盡，局麵不容樂觀。