在右翼四旗兵攻打城東門的同時，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：“你們試奪橋入！”（《滿文老檔·太祖》第19卷）莽古爾泰貝勒、阿敏貝勒遂率兵冒炮火奪橋。揚古利奮勇陷陣，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，列楯車，登城而上，同城垛守軍展開肉搏戰。明軍提燈夜戰，直至天亮。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。袁應泰列楯大戰，又敗。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。先是，袁應泰仁柔，納賀世賢用降夷之說，至是，“墮奴計也”（《明熹宗實錄》第8卷）。城外後金軍奪門，城內諜工巨族內應：
薄暮，譙（qiáo）樓火，大清兵從小西門入，城中大亂，民家多啟扉張炬以待，婦女示盛飾迎門，或言降人導之也。（《明史·袁應泰傳》第254卷）
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，不服；努爾哈赤誘以高爵，也不從，被縊死。後金軍攻陷遼陽城。
後金連陷沈、遼，“河東十四衛生靈盡為奴屬”（《明熹宗實錄》第9卷）。努爾哈赤奪取遼陽之後“數日間，金、複、海、蓋州衛，悉傳檄而陷”（王在晉：《三朝遼事實錄》第4卷）。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。（《清太祖武皇帝實錄》第3卷）
努爾哈赤攻占遼陽，下令漢民剃發，以示歸順。他利用已降順的通判黃衣，剃去頭發，披紅蟒衣，騎著騾子，沿街遊說。但受到漢人的唾棄。
明軍長於守城，短於野戰，而後金軍長於野戰，短於攻城；但後金軍卻能以短擊長，在十天之間，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，經鎮不和，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，上下一心，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，而使己之短為長。其二是，用計行間裏應外合。朝鮮《光海君日記》載義州府尹鄭遵馳啟：遼陽和沈陽“城中（人）受虜間金，開門引入，經略袁應泰、總兵賀世賢死之。蓋奴賊攻城非其所長，前後陷入城堡，皆用計行間雲”（《光海君日記》第163卷）。這是一語中的之言。明朝官員在疏奏中也指出：
臣聞攻城而破者矣，未聞不攻而破者也。沈陽以吊橋繩斷破，說者謂降夷實為之。遼以角樓火起破，的係遼人為內應。聞遼城中私通李永芳者凡數十家，相與約期舉事。（《明熹宗實錄》第9卷）
努爾哈赤從奪取明朝遼東第一座城堡撫順起，中經開原、鐵嶺、沈陽，直至遼東首府遼陽，都是用計行間，裏應外合而得手的。他既占領遼河以東廣大地區，更涎貪河西，便兵指遼西重鎮——廣寧。