努爾哈赤等待的機會終於到來了。1626年（明天啟六年），努爾哈赤親率大軍十三萬，號稱二十萬，進攻寧遠城。那位魏忠賢派來的高經略坐在長城垛口上，以隔岸觀火的悠閑心態，幸災樂禍地看著寧遠城的覆滅和袁崇煥的敗亡。然而，隻有孤城一座和守兵一萬的袁崇煥，並無絲毫的怯懼之意，而是堅定地率兵抵抗，於是，著名的寧遠大戰開始了。
天啟六年二月，努爾哈赤的八旗精兵長驅直入，一路拿下了錦州、大小淩河、杏山、連山、塔山諸堡，兵勢浩不見邊，刀槍劍戟如林，十九日到達寧遠城下，努爾哈赤派人勸降道：“我以三十萬人來攻，此城破之必矣！”袁崇煥回答說：“義當死守，豈有降理！且稱來兵三十萬，予亦豈少之哉？”
努爾哈赤先派兵繞過寧遠城，切斷了寧城和山海關的聯絡，以防明軍增援。其實努爾哈赤多此一舉，他不派兵，高第也決不會來援救。但袁崇煥並不畏懼，他派總兵滿桂、參將祖大壽分兵把守四門，把城外居民遷入城內，堅壁清野，組織居民、商人送水送飯，並刺血作書、激勵將士，還把遠在山西的妻子兒女接入城中，以示與寧遠城共存亡。在寧遠城內軍民總動員、嚴陣以待的情況下，滿清軍隊開始發動進攻了。
滿清軍隊極其驍勇善戰，後來同李自成在一片飛石大戰時，喊一聲“辮子兵來了”，久經沙場的農民軍竟然就“嘩”地潰退了，而且一退不可收拾。在攻打寧遠城時，他們也十分凶猛。滿清軍隊用鐵甲兵攻城，這些人身穿兩層鐵甲，不畏矢石，豎起梯子，奮勇上攀。再用鐵皮車做掩護，挖掘城牆，城牆竟被挖出了許多缺口。袁崇煥的軍隊也十分勇敢善戰，他們在城上安裝了十一門西洋進口的紅夷大炮，每一炮都給敵人以深重的打擊，對近處的爬城軍士，則從垛口上伸出許多長長的木櫃子，櫃子裏裝著士兵，士兵居高臨下，用石頭和箭矢打擊敵人，再扔出浸有油脂和硫磺的被絮等物燃燒敵人的戰具。就這樣，滿清軍隊的猛烈進攻，一次又一次地被打退了。
袁崇煥當然是文人出身，在一般情況下他扮成一員儒將，如諸葛亮一般，他乘轎指揮戰鬥。他的最大特點是鎮靜，即使敵兵攻破了城牆，他也一點兒不慌，而是披上盔甲，和戰士們一起運石補牆。在這次戰役中，他負傷數處。敵人退卻時，他又組織敢死隊，追下城牆，追殺敵人，並撿回箭支十餘萬支。這次戰役，明軍殺死滿清統率三百名士兵的牛錄十多人。
二十一日，滿清軍隊再次趁夜出擊，仍未成功，隻好於二十六日撤圍而去。
敵人撤圍後，袁崇煥還表現出一派儒者的風度，派使者送信對努爾哈赤說：“老將縱橫數十年，無有不勝，今敗於小事之手，恐怕是天意啊！”努爾哈赤也很客氣地致書袁崇煥，並贈以馬匹，“約期再戰”。
努爾哈赤在攻城時受了炮傷，隻得躺在車中鬱鬱而回。他對諸貝勒說：“我自二十五歲起兵以來，戰無不勝，攻無不克，曆時四十三年，獨不克寧遠一座孤城。”抑鬱中背上又生了毒瘡，傷病交加，數月後死於沈陽以西四十裏的璦雞堡。
自此以後，滿清軍隊對袁崇煥又敬又畏。
寧遠大捷的消息傳到京城，朝野上下喜出望外，一片歡呼。高第因沒有援救寧遠而被免職，由兵部尚書王之臣取代。袁崇煥升為四品右僉都禦史。隨即他主動出擊，又陸續收複了高第所放棄的土地。
努爾哈赤死後，他的兒子皇太極繼位，建立了清朝。皇太極是中國曆史上少有的一位具有雄才大略的皇帝，他采取正確的戰略，暫時放棄寧遠，轉而攻打朝鮮。就當時明清而言，雙方都需要一段休戰時間，以便實行各自的計劃。明方需要築城、練兵，清方則要進攻朝鮮、掠奪財富、鞏固統治。
在這樣的局勢下，袁崇煥提出與皇太極和談，皇太極表示讚同，但明皇帝和許多大臣堅決反對，認為滿清從來都是附庸國，皇太極不夠談判對手的資格。
袁崇煥和皇太極商議和談時，皇太極利用這個機會打敗了朝鮮，袁崇煥也加緊修築錦州中左、大小淩河等地的防禦工事，並派出援朝軍隊，隻因朝鮮很快投降，明軍也就退了回來，沒有和清軍發生衝突。
皇太極進攻朝鮮的戰爭取得了重大的勝利，財物得到了補充，局勢也穩定下來，但他看到袁崇煥修城池、練兵馬，勢力越來越強大，如不加緊攻擊，愈加難圖，況且求和又不成，於是，皇太極決定“以戰求和”。
天啟七年（1627年），皇太極率大軍攻打遼西的許多軍事重鎮，攻陷了大小淩河，隨即又攻錦州。從五月十一日到六月四日，將領趙率教率領明軍與皇太極展開激戰。清軍損失慘重，但還是沒有將錦州攻下來。皇太極見攻錦州不成，就轉攻寧遠。袁崇煥嚴陣以待，成竹在胸，兩軍相接，激戰兩天，雙方損失都很慘重，但皇太極還是沒攻下寧遠。皇太極再轉攻錦州，但錦州城守堅固，清兵死傷枕藉，無法攻克。當時正值炎熱季節，清軍不少中暑得病，士氣低落，皇太極不得不撤圍回沈陽。