天啟元年三月十三日，后金攻陷沈陽，尤世功、賀世賢部覆沒。之后渾河血戰(zhàn)陳策、童仲揆部精銳亦覆沒。沈陽丟失，遼陽門戶大開，而此時(shí)遼陽城中兵只剩不到萬人。情急之下，遼東經(jīng)略袁應(yīng)泰棄守奉集堡、虎皮驛等地，調(diào)朱萬良、姜弼等部匯合于遼陽補(bǔ)充兵力。將渾河血戰(zhàn)后殘存的川浙兵、潰退的沈陽守軍與本地衛(wèi)所兵勉強(qiáng)拼湊成八萬人，龜縮于城內(nèi)。

三月十八日，努爾哈赤率八旗兵與沈陽降軍攜帶城中火器進(jìn)攻遼陽，并于十里河駐扎，十九日午時(shí)開始橫渡太子河抵達(dá)遼陽城外。

遼陽城是明朝遼東地區(qū)的首府，相當(dāng)于省會(huì)。遼陽城自洪武年間起便是明朝經(jīng)營遼東的軍政心臟，城墻高厚，三重壕溝引太子河水環(huán)繞，架設(shè)著當(dāng)時(shí)東亞最密集的火炮陣地。遼陽城墻花十年修建，除了面積比不過北京，但卻比北京城高大厚實(shí)多了。此時(shí)的沈陽還沒發(fā)展起來，明朝管控的東北少民首領(lǐng)、酋長(zhǎng)，200年來都是在遼陽城門口向大明獻(xiàn)上自己的膝蓋。貢獻(xiàn)方物，貿(mào)易貨物，取得敕封。遼陽的大明長(zhǎng)官同意了，酋長(zhǎng)們才能繼續(xù)卑微地往西南進(jìn)發(fā)，去往北京朝覲皇帝。因此，遼陽是明朝遼東統(tǒng)治的大本營。

而袁應(yīng)泰已經(jīng)被困在這座孤城大本營中，一動(dòng)不能動(dòng)，迎接自己最后的命運(yùn)。他調(diào)集城內(nèi)候世祿部、李秉誠部、梁仲善部、姜弼部、朱萬良部和參將周世祿部所有機(jī)動(dòng)戰(zhàn)兵出西門列陣野戰(zhàn)，他自己親率明軍出戰(zhàn)，另派巡按張銓在城墻上指揮守軍配合。致命的是暗流，遼陽城內(nèi)的富商巨族早與降將李永芳暗通款曲，后金細(xì)作混在難民中潛入城內(nèi)。

努爾哈赤先派兩黃旗進(jìn)攻明軍，雙方對(duì)沖兩次，后金黃旗兵佯裝不敵敗走，明軍全軍追殺。后金的白旗、紅旗、藍(lán)旗繞開黃旗撤退方向，兩翼包抄散成扇形，用火銃兵對(duì)追殺而來的明軍進(jìn)行齊射，明軍陣型散亂，在火器打擊下紛紛倒地。眼見明軍攻勢(shì)受挫，后金兵迅速以大隊(duì)騎兵攻入明軍陣列，明軍大敗退回城墻處。

后金兵乘勝進(jìn)攻小西門，明軍齊發(fā)火器藥箭拒守，后金兵攻城失敗又退走。之后袁應(yīng)泰留下一部分士兵防守西門外壕溝，率領(lǐng)其余明軍入城，努爾哈赤將八旗兵在東、西、北三面設(shè)置四個(gè)營寨將遼陽包圍。

三月二十日卯時(shí)，努爾哈赤再次攻城。命令左翼四旗兵進(jìn)攻西門城壕與出水口，右翼四旗兵攜帶盾車進(jìn)攻東門堵塞入水口。

袁應(yīng)泰鑒于十九日明軍出城與城上守軍配合擊退后金的戰(zhàn)術(shù)取得成功，于是這次故技重施，再令全軍出城！這一次，明軍三萬人列陣城東，火器營在前、騎兵殿后。但叛變的明軍炮隊(duì)已調(diào)轉(zhuǎn)炮口——后金陣中推出的三十門火炮，正是三日前沈陽守軍的裝備。后金兵從容列陣，一邊投射一邊前進(jìn)，隨后努爾哈赤派沈陽降軍移動(dòng)炮車過河到東山上設(shè)立火炮陣地，對(duì)著明軍步兵一陣猛轟。炮響瞬間，明軍戰(zhàn)馬驚嘶，騎兵率先潰逃，沖亂步兵陣列。八旗重甲兵趁機(jī)壓上，“如墻而進(jìn)”的盾陣后箭矢如蝗。退兵時(shí)慘象更甚，逃兵擠垮浮橋，上萬人跌落灌滿春水的壕溝。

出城明軍潰敗后，后金八旗兵猛攻東西兩面，成功奪取西門橋而入，隨后分兵兩部分別攻城并進(jìn)攻留守在壕溝內(nèi)的明軍。西門壕溝內(nèi)的明軍依靠彎曲通道或明或暗與后金兵搏斗，城上明軍也發(fā)射火炮火銃進(jìn)行支援。后金兵反而陷入的多重打擊之中，于是左翼后金兵放棄奪取壕溝，將云梯攻車等戰(zhàn)具運(yùn)來攻擊西門。西門守軍奮力據(jù)守，火器連發(fā)不絕。戰(zhàn)況激烈、河水泛紅之際，城西突然爆出巨響——火藥庫突然炸了。烈焰吞沒川軍營房，大量川軍在火海中化為焦尸。敵臺(tái)、窩鋪、城樓也被大火焚燒，不久后火勢(shì)又蔓延到城內(nèi)房屋，一發(fā)不可收拾。濃煙中，后金的內(nèi)應(yīng)終于砍倒守門的明軍，打開小西門，后金兵如餓狼撲入遼陽城內(nèi)。

監(jiān)軍牛維曜騎馬從小南門出城趕往東門支援，路上被后金兵刀箭重傷墜入護(hù)城河中，隨從及時(shí)把他撈了出來才沒被淹死。牛維曜帶傷突破重圍趕到東門，仍然陷入混戰(zhàn)中無法組織抵抗，無奈之下只得與敗兵一起逃跑，被后金兵追殺到六十多里的鞍山。監(jiān)司高出、胡應(yīng)棟等翻城墻逃走，人心離散。

二十一日，袁應(yīng)泰親率三千“虎旅軍”（家丁精銳）死守鐘樓，用火銃和長(zhǎng)矛堵截街道。但黎明時(shí)分，八旗援軍攀上城墻，從高處向下射箭?；⒙密娨粋€(gè)個(gè)倒下，袁應(yīng)泰身中三箭，踉蹌退入鎮(zhèn)遠(yuǎn)樓。躲在樓內(nèi)，袁應(yīng)泰看見城中大亂，很多居民點(diǎn)燈等待后金軍。婦女也盛裝在門前迎接，據(jù)說這是蒙古夷丁所引導(dǎo)的。袁應(yīng)泰覺得大勢(shì)已去，無法挽回，對(duì)遼東巡按張銓嘆息說：“你沒有守城的責(zé)任，趕緊走吧！我死在這里！”說罷就佩了劍、印自縊而死。他的妻弟姚居秀也跟著自殺。仆人唐世明撫著袁應(yīng)泰的尸體大哭，放火燒樓而死。

袁應(yīng)泰自殺后，張銓退守衙署，明軍萬余人與百姓數(shù)萬突圍向著山海關(guān)逃去。雖然遼陽城破，抵抗卻并沒有停止。城內(nèi)沒有逃走的明軍持火執(zhí)杖與后金兵進(jìn)行了一夜的巷戰(zhàn)?！稘M文老檔》承認(rèn)：“是夜，城內(nèi)明兵執(zhí)煙火戰(zhàn)至天明?！倍蝗仗烀骱笈瑺柟鄬⑷氤堑暮蠼鸨掀饋碚卸芘c城內(nèi)明軍又進(jìn)行了一次大戰(zhàn)，并派城外后金兵登城支援進(jìn)攻城墻上據(jù)守的明軍殘兵，直到張銓被俘，這才徹底攻下了遼陽。

努爾哈赤本想招降張銓，張銓不肯跪見，努爾哈赤下令殺了張銓?；侍珮O想繼續(xù)招降張銓，并用宋徽宗、宋欽宗做例子勸說。張銓仍不肯，上吊自盡而死。

遼陽城陷，與袁應(yīng)泰有很大關(guān)系。他不顧朝廷質(zhì)疑和麾下將領(lǐng)的反對(duì)，執(zhí)意收編大量蒙古部民充當(dāng)援軍。夷丁主要是明朝將領(lǐng)將蒙古人及部分女真人招為家丁，主要是為了訓(xùn)練省錢。這些人本來就會(huì)騎射，所以訓(xùn)練成本低得多；而且給夷丁的錢肯定比招漢人家丁要便宜。熊廷弼時(shí)期堅(jiān)決制止招募夷丁，賀世賢等將領(lǐng)只能勉強(qiáng)忍著。而熊廷弼一走，賀世賢等人立刻勸袁應(yīng)泰接受這些夷丁。

結(jié)果袁應(yīng)泰搬起石頭砸自己的腳，蒙古夷丁做了后金的內(nèi)奸，致使遼陽城迅速淪陷。

遼陽的陷落導(dǎo)致周邊70余座城堡（如金州、復(fù)州、海州）不戰(zhàn)而降，明朝喪失遼河以東全部領(lǐng)土，統(tǒng)治體系徹底崩潰。十余萬軍民逃亡遼西，明朝被迫退守山海關(guān)-寧遠(yuǎn)一線，遼東防線縮至狹長(zhǎng)走廊。努爾哈赤迅速遷都遼陽，正式從一個(gè)山城首都遷入到一個(gè)平原首都，奠定了成為一個(gè)帝國的基礎(chǔ)。遼陽作為跳板，使后金獲得西征蒙古、南圖中原的戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)。

征服遼陽前，努爾哈赤仍是一個(gè)邊關(guān)土酋；進(jìn)入遼陽城后，后金已經(jīng)是與大明比肩的對(duì)等國家政權(quán)。