以防明军增援。其实努尔哈赤多此一举，他不派兵，高第也决不会来援。但袁崇焕并不畏惧，他派总兵满桂、参将祖大寿分兵把守四门，把城外居民迁入城内，坚壁清野，组织民夫、居民、商人送水送饭，并刺血作书、激励将士，还把远在山西的妻子儿女接入城中，以示与宁远城共存亡。在宁远城内军民总动员、严阵以待的情况下，满清军队开始发动进攻了。满清军队极其骁勇善战，后来同李自成在一片石大战时，喊一声“辫子兵来了”，久经沙场的农民军竟然就哗地溃退了，而且一退不可收拾。在攻打宁远城时，也十分凶猛。满清军队用铁甲兵攻城，这些人身穿两层铁甲，不畏矢石，竖起梯子，奋勇上攀。再用铁皮车作掩护，挖掘城墙，城墙竟被挖出了许多缺口。

袁崇焕的军队也十分勇敢善战，他们在城上安装了十一门西洋进口的红夷大炮，每一炮都给敌人以深重的打击，对近处的爬城军士，则从跺口上伸出许多长长的木柜子，柜子里装着士兵，士兵居高临下，用石头和箭矢打击敌人，再扔出浸有油脂和硫磺的被絮等物燃烧敌人的战具，就这样，满清军队的猛烈进攻，一次又一次地被打退了。

袁崇焕是文人出身，在一般情况下他扮成一员儒将，如诸葛亮一般，乘轿指挥战斗。他最大的特点是镇静，即使敌兵攻破了城墙，他也一点不慌，而是披上盔甲，和战士们一起运石补墙。在这次战役中，他负伤数处。

敌人退却时，他又组织敢死队，缒下城墙，追杀敌人，并捡回箭枝十余万支。这次战役，杀死满清统率三百名士兵的牛录等十多人。

敌人撤围后，袁崇焕还表现出一副儒者的风度，派使者送信对努尔哈赤说：“老将纵横数十年，无有不胜，今败于小事之手，恐怕是天意啊!”努尔哈赤也很客气地致书袁崇焕，并赠以马匹，“约期再战”。

努尔哈赤在攻城时受了炮伤，只得躺在车中郁郁而回。他对诸贝勒说：“我自二十五岁起兵以来，战无不胜，攻无不克，历时四十三年，独不克宁远一座孤城。”抑郁中背上又生了毒疮，伤病交加。数月后死于沈阳以西四十里的瑷鸡堡。

自此以后，满清军队对袁崇焕又敬又畏。

宁远大捷的消息传到京城，朝野上下喜出望外，一片欢呼。高第因没有援救宁远而被免职，由兵部尚书王之臣取代。袁崇焕升为四品右佥都御史。随即袁崇焕主动出击，又陆续收复了高第所放弃的土地。