但是，正當明朝遼東形勢初步好轉，後金揮戈南進屢受挫折之時，明統治集團內部發生重大政治變化。萬曆四十八年就是天命五年（1620）七月二十一日，明神宗萬曆帝朱翊鈞死去。他的長子朱常洛於八月初一日繼皇帝位，是為光宗泰昌帝。但九月初一日又吞紅丸死於乾清宮。“一月之內，梓宮兩哭”。朱常洛長子由校襲受皇位，是為熹宗天啟帝。時“三案構爭，黨禍益熾”。天啟朝統治集團內部的“黨爭”愈演愈烈。大臣之間，結黨營私，排斥異己，相互訐告。熊廷弼雖在邊防勞績可紀，但他性剛直，拒援引，不徇私受賄，也不曲意逢迎，得罪了一些人，成為黨爭中的被攻訐者。
光宗暴斃，熹宗初立，朝廷內部黨爭激烈，而封疆議起。劉國縉和姚宗文先挾私鼓煽同類傾陷熊廷弼，他上疏自辨；禦史馮三才、顧糙、張修德又彈奏熊廷弼，他再疏自明：“遼已轉危而致安，臣且之生而致死”。給事中魏應嘉等複連章攻劾，朝廷遂派袁應泰代熊廷弼為遼東經略。熊廷弼在統治集團政治鬥爭中再次被擠下政治舞台。他含憤抗辨，先後五疏，極辨邊吏得不到君主的信任，針砭了當時弊政的要害。明廷罷免遼東經略熊廷弼，等於自毀長城。
袁應泰代熊廷弼為經略，薛國用為巡撫。袁應泰受職後，殺白馬祭神，誓與遼事相始終。但他“曆官精敏強毅，用兵非所長，規畫頗疏”。熊廷弼在遼，部伍整肅，法令嚴，守禦為主；袁應泰則寬縱將士，妄自詡，謀取撫順。袁應泰改變熊廷弼原來部署，撤換很多官將，造成前線混亂；又收納過多蒙古和女真降人，混入大量諜工，陰為後金內應。
後金在明統治集團內部發生政治變化的時候，既有勝利，也有困難。後金滅葉赫，撫蒙古，女真實現統一，勢力空前強大，軍隊大概有十萬人。與此同時，
遼東大旱，赤地千裏，年荒米貴，石米四兩。後金人口增多，糧食奇缺，數以千計的女真人淪為乞丐。後金汗為擺脫經濟困境，度過災荒，需要向遼河流域興兵。
但熊廷弼任經略使努爾哈赤原擬進軍遼、沈的計劃被迫推遲一年多，他經過耐心地等待，向明進兵的時機終於到來。機不可失，時不再來。善於等待時機，巧於捕捉時機，是努爾哈赤擅長的計謀。努爾哈赤緊緊地抓住明朝皇位更替，黨爭益烈，經略易人，軍心渙散，遼東大饑，邊防紊亂的有利時機，向遼、沈大舉進兵。
天啟元年就是天命六年（1621）春，努爾哈赤為奪取遼陽、沈陽，進入遼河流域，發動了沈遼之戰。他在戰前，偵察刺偵情報，厲兵秣馬，製鉤梯，造簷車，精心準備戰鬥。福餘衛頭目嬡兔名下把速等向明邊吏密報：“有達子哈喇等四名持布匹，前往努爾哈赤家貿易，聞奴酋欲於閏二月來克沈陽”。被後金擄掠遼民逃回者，也“皆言奴酋製造鉤梯、營車，備糗糧，將犯沈、奉”。努爾哈赤要奪取遼、沈，先略奉集堡，從此揭開遼沈之役的序幕。
奉集堡是明朝遼東沈陽和遼陽之間的戰略要地。熊廷弼說：“沈之東南四十裏為奉集堡，可犄角沈陽，奉集之西南三十裏為虎皮驛，可犄角奉集；而奉集東北距撫順、西南距遼陽各九十裏。賊如窺遼陽，或人撫順，或入馬根單，皆經由此堡，亦可阻截也。不守奉集則沈陽孤，不守虎皮則奉集孤，三方鼎立”。努爾哈赤很明白奉集堡居於遼、沈之中的重要戰略地位。明給事中倪思輝言：“奉集居遼、沈之中，奉集危則遼、沈中斷，此奴之所眈眈而視也”！努爾哈赤正是要舉兵略奉集堡，以武力偵探遼陽和沈陽兩城明軍的實力。
二月十一日，努爾哈赤率諸貝勒大臣，統其粗銳部隊，分兵八路，略奉集堡，揭開沈遼之役的序幕。守城總兵官李秉誠得八旗兵來攻的哨報，沒有能夠固守堅城，憑借塹壕，施放火炮，抗禦敵兵；卻領三千騎兵出城六裏安營迎戰。他先派二百騎兵為前探，與後金軍左翼四旗相遇，被打敗。後金軍馳擊，李秉誠率兵拔營入城。後金軍追至城下，被城上大炮打死參將一員及兵士多人。時努爾哈赤在城北高岡處指揮。他命其第十子德格類等率右翼四旗兵追擊明軍。明軍二萬騎荒落而逃，德格類率騎兵衝殺，至明兵屯聚之所，其眾驚遁。明總兵朱萬良引師來援，但“見虜而潰，死者數百人”。明監軍道高出，得後金軍圍奉集堡的馳報後，“睨視佩刀，即有意外，引以自裁”，完全失去勝利的信心。努爾哈赤在奉集堡進行的一場“矢鏃偵察”，取得意外的成功。
後金汗在略沈陽的一隻犄角奉集堡五天之後，又攻沈陽的另一隻犄角虎皮驛。隨之，後金兵又至王大人屯，“往來無定，駿圖大舉”。努爾哈赤麾兵四擊，不會東一坐西，既試探明軍的虛實，又麻痹明兵的警覺，用來準備率傾國之師，進取沈陽。
沈陽為磚城，牆垣高廣，塹壕深闊。
若論當時明朝的兵力，總兵賀世賢率親兵一千餘人和收降兵五六萬之眾，副將尤世功兵一萬五千人，總兵力約七八萬人。明朝守軍，衛守沈陽。
沈陽是明朝在遼東的重鎮。三月十日，努爾哈赤親率諸貝勒大臣，及八旗大軍，將“板木、雲梯、戰車，順渾河而下，水陸並進”，向沈陽進發。明軍聞警，舉燧傳報。沈陽守將總兵官賀世賢、尤世功得警報之後，連夜率領一萬兵丁守城。
“沈陽城頗堅，城外浚濠，伐木為柵，埋伏火炮”。城周挖有溝塹，設置陷阱，井底插有尖樁，並覆蓋秫秸，虛掩浮土。城上環列火器，分兵堅守。
三月十二日，八旗軍兵臨沈陽城下。努爾哈赤率兵到達這裏，未敢督兵攻城，先派數十騎隔壕偵探。武舉出身的明總兵尤世功，帶家丁衝出，殺死四人，獲得小勝。努爾哈赤又命“用戰車衝鋒，馬步繼之”，將沈陽城圍困。
三月十三日，清晨，努爾哈赤再派騎兵挑戰。行伍出身的總兵官賀世賢有勇無謀，日日飲酒，貪功出城迎戰。據《明熹宗實錄》記載：世賢故嗜酒，次日取灑引滿，率家丁千餘出城擊奴，曰：“盡敵而反！”奴以贏卒詐敗誘我，世賢乘銳輕進。奴精騎四合，世賢且戰且卻，至沈陽西門，身已中四矢。賀世賢從東門退到西門，雖揮鐵鞭奮力抵禦，但身中數十矢，墜馬而死。
總兵尤世功出西門營救，士卒哄散，身死馬仆。時努爾哈赤一麵派精騎追殺賀世賢部眾，一麵督兵用雲梯、楣車攻城。八旗兵從城東北角挖土填壕，城上連發炮，因發炮過多，炮身熾熱；至裝藥即噴。八旗兵乘機蜂擁過壕，急攻東門。
這時，城中聞賀世賢兵敗，尤世功戰死，洶洶潰散，八旗兵擁門而入，進攻沈陽城。明兵民被殺死者，據說有七萬人。
時明總兵官童仲揆、陳策等統川浙兵由遼陽北上援沈，行至渾河，得報沈陽已陷落。陳策下令還師，裨將周敦吉等堅請進戰。先是，明征土官秦良玉引兵援遼。良玉有膽智，善騎射，兼通詞翰，儀度嫻雅。且馭部下嚴，每行軍令，上下貫一，軍伍肅然，遼東事急，征良玉兵。良玉先遣兄邦屏以數千人行，其時已到
沈陽，即投入激戰。明軍遂分為兩大營，周敦吉與石矽都司副總兵秦邦屏等率川兵營橋北；童仲揆與陳策等率浙兵營橋南。努爾哈赤得到偵報後，立即命右翼四旗兵前去馳擊。明軍橋北川兵營結陣未就，被四麵圍攻，雙方展開激戰。明軍殺死後金兵二三千人，大敗而逃“卻而複前，如是者三”；明軍饑疲不支，周敦吉、秦邦屏等戰死，其餘兵將奔橋南浙兵營。後金軍渡河後將浙兵營多重包羅。這時明守奉集堡總兵李秉城、守武靖營總兵朱萬良、薑弼領兵數萬來援，至白塔鋪觀望不前，及浙兵營被圍，始前一戰，被後金左翼四旗兵殺三千人，敗遁而歸。後金軍左右兩翼遂並攻浙兵營。營中放火器，後金兵死傷無數。浙兵營火藥罄盡，短兵相接，力戰而敗。童仲揆、陳策等皆戰死。浙兵營雖敗，但奮死搏戰，為壯烈。
《明熹宗實錄》記載：“自奴酋發難，我兵率望風先逃，未聞有嬰其鋒者，獨此戰，以萬餘人當虜數萬，殺數千人，雖力屈而死，至今凜凜有生氣。”攻陷遼陽努爾哈赤占領沈陽，擊破明兩路援軍之後第五天，也就是三月十八日，集諸貝勒大臣道：“沈陽已拔，敵兵大敗，可率大兵，乘勢長驅，以取遼陽”。諸貝勒大臣會議同意努爾哈赤的重大軍事決策。會後，他親統八旗軍，“旌旗蔽日，彌山亙野”，向遼陽進發。
遼陽，自隆慶元年（1567），鎮守遼東總兵官由廣寧移駐此地。遼陽為磚城，周十六裏餘，高三丈三尺，設六門，有樓，四隅有角樓。遼陽為遼東繁華之區，嚐有“遼陽春似洛陽春，紫陌飛花不見塵”之詩句。遼東經略駐守遼陽，它已成為努爾哈赤攻占沈陽之後，明朝與後金必爭之地。
遼陽是明朝遼東的首府，是東北政治、經濟、軍事和文化的中心。遼陽城堅池固，外圍城壕，沿壕列火器，環城設重炮。沈陽、奉集陷落後，遼陽失去屏障。
“初，遼陽恃沈陽、奉集二城為藩蔽，而沈東捍建州，西障土蠻，較奉集更重。
沈陽既陷，奉集失犄角之勢，亦沒。時驍將勁卒，皆萃沈、奉，遼兵不滿萬”。
經略袁應知道沈陽失陷的敗報之後，急檄撤各路兵守遼陽。他下令引太子河水注濠，緣城布兵，加強防守。
三月十九日包圍遼陽。後金軍出虎皮驛，渡渾河之後，疾撲遼陽。經略袁應泰督侯世祿、李秉誠、梁仲善、薑弼、朱萬良五總兵等率兵出城五裏處結陣，與後金軍對壘。後金兵見遼陽城池險固，兵眾甚盛，多意沮欲退。這時，據《光海
君日記》載：“老酋曰：‘一步退時，我已死矣。你等須先殺我，後退去。’即匹馬獨進”。努爾哈赤並麾左翼四旗兵進擊，明軍發炮應戰。後金軍火器齊放，擁眾衝殺，明軍營亂，開始潰散。後金軍乘勝追擊六十裏，到鞍山勝利返回。同時，遼陽西關出援的明兵，也被後金軍擊敗。當天夜裏，明兵在城外紮營，經略袁應泰宿營中。努爾哈赤也在包圍遼陽的八旗軍中過夜。
三月二十日兩麵攻城。明軍兵力重點放在東門和小西門。明兵先在東城門，列隊放火炮，反擊後金軍。努爾哈赤命後金兵分左右兩翼，右翼四旗兵攻打東門，左翼四旗兵攻打小西門。明軍發火箭抵抗，後金兵稍受挫。努爾哈赤在右翼指揮，命右翼分兵堵塞城東入水口，左翼分兵挖開小西門閘口以泄濠水。當入水口被堵住，城濠開始幹涸的時候，他又命右翼四旗兵推簷車攻城。明軍排列三層，施放火器抵禦。隨後金兵呼喊而進，明騎兵先動搖，步兵堅持作戰。後金兵發動強攻，明軍步兵受挫敗退。明總兵梁仲善、朱萬良戰死，步騎兵大潰，望城而奔，被殺溺死者非常多。袁應泰退入城內，與巡按禦史張銓分陴固守。
與右翼四旗兵攻打城東門之時，左翼四旗兵在攻打小西門。明軍在城上放火箭，擲火罐，隔濠射擊，奮力守禦。左翼軍派騎向努爾哈赤馳報：小西門橋能奪下來！努爾哈赤命令道：“你們試占領！”莽古爾泰貝勒、阿敏貝勒遂率兵冒炮火奪橋。揚古利奮勇殺敵，奪橋渡河，近城強攻。城上萬矢下射，後金兵奮死前進。
傍晚，左翼軍豎雲梯，列椐車，登城而上，同城垛守軍展開肉搏戰。明軍提燈夜戰，直到天亮。明監司高出、牛維曜、胡嘉棟及督餉郎中傅國等乘亂縋城而逃，人心離沮。
三月二十一日攻陷遼陽。努爾哈赤督率左右翼軍發起總攻。衰應泰列楣大戰，再敗。明軍從城上扣弦發矢，進行抵禦；後金軍盡銳環攻，奮死奪城。傍晚，小西門火藥起火，各軍窩鋪、城內草場俱焚，守城軍士潰亂。原先，袁應泰仁柔，納賀世賢用降夷之說，到現在，“墮奴計也”。城外後金軍奪門，城內諜工巨族內應。
薄暮，麗譙火，賊已從小西門入，夷幟紛植矣。滿城擾亂，守者皆鼠伏簷壁下，而民家多啟扉張炬若有待，婦女亦盛飾迎門，或言遼陽巨族多通李永芳為內應，或言降夷教之也。
袁應泰見城樓起火，知城陷，在城東北鎮遠樓上，佩劍印，自縊死，其仆縱
火焚樓。遼東巡按禦史張銓被俘，李永芳勸降，不屈；努爾哈赤誘以高爵，也不從，被縊死。後金軍攻陷遼陽城。
然而，明朝遼左之將，委身許國，見危而上，死得壯烈，令人敬重。張神武是其中一例：神武，新建人。萬曆中舉武會試第一。授四川都司僉書。已經死，遼左兵興，用經略袁應泰薦，詔諭從征立功。神武率親丁二百四十餘，迅速奔至廣寧。會遼陽已失，巡撫薛國用固留之，不可，曰：“奉命守遼陽，非守廣寧也。”
曰：“遼陽歿矣，若何之？”曰：“將以殲敵。”曰：“二百人能殲敵乎？”曰：“不能，則死之。”前到遼河，遇逃卒十餘萬。神武以忠義激其帥，準備還戰，帥求不從。於是獨率所部渡河，抵首山，去遼陽十七裏而軍。將士不食已經一日，遇大清兵，疾呼奮擊，孤軍沒有援軍，盡歿於陣。廟算不定，經略無謀，神武雖然死，危亡無救。
後金連陷沈、遼，“河東十四衛生靈盡為奴屬”。努爾哈赤奪取遼陽之後，“數日間，金、複、海、蓋州衛，悉傳檄而陷”。據《清太祖武皇帝實錄》記載：遼陽既下，其河東之三河、東勝、長靜、長寧、長定、長安、長勝、長勇、長營、靜遠、上榆林、十方寺、丁字泊、宋家泊、曾遲、鎮西、殷家莊、平定、定遠、慶雲、古城、永寧、鎮夷、清陽、鎮北、威遠、靜安、孤山、灑馬吉、靉陽、新安、新奠、寬奠、大奠、永奠、長奠、鎮江、湯站、鳳凰、鎮東、鎮夷、甜水站、草河、威寧營、奉集、穆家、武靖營、平虜、虎皮、蒲河、懿路、汛河、中固、鞍山、海州、東昌、耀州、蓋州、熊嶽、五十寨、複州、永寧監、欒古、石河、金州、鹽場、望海堝、紅嘴、歸服、黃骨島、岫岩、青台峪等大小七十餘城官民，俱剃發降。努爾哈赤攻陷遼陽，下令漢民剃發，以示歸順。他利用已降服的原通判黃衣，剃去頭發，披紅蟒衣，騎著騾子，沿街遊說。然而受到漢人的唾棄。
明軍長於守城，短於野戰，而後金軍擅長野戰，短於攻城；但是後金軍卻能以短擊長，在九天之間，連陷沈陽和遼陽。這固然由於明朝政治腐敗，失去民心，經略易人，士氣不振，經撫不和，濫收降人，情況不明，指揮失措；後金戰機有利，將士勇猛，兵力集中，準備周詳，戰術靈活，上下齊心，器械精利，指揮得當。但是，更由於努爾哈赤的策略有兩個顯著的特點，其一是，誘敵出城，殲其精銳。如沈陽的賀世賢，遼陽的袁應泰，都誤墮其計。這就變敵之長為短，而讓己之短為長。其二是，用計行間，裏應外合。朝鮮《光海君日記》載義州府尹鄭