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。陳策下令還師，裨將周敦吉等堅請進戰。先是，明征石砫女土官秦良玉率兵援遼。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，時已至沈陽。明軍遂分為兩大營，周敦吉與石砫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。努爾哈赤得到偵破報後，急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，雙方開展激戰。明軍殺死後金兵二三千人，後金軍“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包圍數重。這時明守奉集堡總兵李秉誠，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，後金兵死傷枕藉。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，但殊死奮戰，極為壯烈。《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。”（《明熹宗實錄》第8卷）
努爾哈赤攻陷沈陽，擊破明兩路援軍之後第五天，即三月十八日，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。”（《滿洲實錄》第6卷）諸貝勒大臣會議同意努爾哈赤的重大軍事決策。會後，他親率八旗軍，“旌旗蔽日，彌山亙野”（《清太祖高皇帝實錄》第7卷），向遼陽進發。
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，外圍城濠，沿濠列火器，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”（《明史紀事本末》）。經略袁應泰得到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，撲向遼陽。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，明軍發炮接戰。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，至鞍山勝利返回。同時，遼陽西關出援的明兵，也被後金軍擊敗。是夜，明兵在城外紮營，經略袁應宿營中。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。明軍發火箭抗擊，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，城濠開始幹涸時，他又命右翼四旗兵推楯車攻城。明軍排列三層，施放火器抵禦。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，被殺溺死者甚眾。袁應泰退入城內，與巡按禦史張銓分陴（pī，女牆）固守。