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，而此時遼陽城中兵只剩不到萬人。情急之下，遼東經略袁應泰棄守奉集堡、虎皮驛等地，調朱萬良、姜弼等部匯合于遼陽補充兵力。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)所兵勉強拼湊成八萬人，龜縮于城內。

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攻遼陽，并于十里河駐扎，十九日午時開始橫渡太子河抵達遼陽城外。

遼陽城是明朝遼東地區(qū)的首府，相當于省會。遼陽城自洪武年間起便是明朝經營遼東的軍政心臟，城墻高厚，三重壕溝引太子河水環(huán)繞，架設著當時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多了。此時的沈陽還沒發(fā)展起來，明朝管控的東北少民首領、酋長，200年來都是在遼陽城門口向大明獻上自己的膝蓋。貢獻方物，貿易貨物，取得敕封。遼陽的大明長官同意了，酋長們才能繼續(xù)卑微地往西南進發(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。

而袁應泰已經被困在這座孤城大本營中，一動不能動，迎接自己最后的命運。他調集城內候世祿部、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動戰(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，遼陽城內的富商巨族早與降將李永芳暗通款曲，后金細作混在難民中潛入城內。

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

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

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

袁應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。但叛變的明軍炮隊已調轉炮口——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，隨后努爾哈赤派沈陽降軍移動炮車過河到東山上設立火炮陣地，對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。八旗重甲兵趁機壓上，“如墻而進”的盾陣后箭矢如蝗。退兵時慘象更甚，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攻留守在壕溝內的明軍。西門壕溝內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、窩鋪、城樓也被大火焚燒，不久后火勢又蔓延到城內房屋，一發(fā)不可收拾。濃煙中，后金的內應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。

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城河中，隨從及時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、胡應棟等翻城墻逃走，人心離散。

二十一日，袁應泰親率三千“虎旅軍”（家丁精銳）死守鐘樓，用火銃和長矛堵截街道。但黎明時分，八旗援軍攀上城墻，從高處向下射箭?；⒙密娨粋€個倒下，袁應泰身中三箭，踉蹌退入鎮(zhèn)遠樓。躲在樓內，袁應泰看見城中大亂，很多居民點燈等待后金軍。婦女也盛裝在門前迎接，據(jù)說這是蒙古夷丁所引導的。袁應泰覺得大勢已去，無法挽回，對遼東巡按張銓嘆息說：“你沒有守城的責任，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泰的尸體大哭，放火燒樓而死。

袁應泰自殺后，張銓退守衙署，明軍萬余人與百姓數(shù)萬突圍向著山海關逃去。雖然遼陽城破，抵抗卻并沒有停止。城內沒有逃走的明軍持火執(zhí)杖與后金兵進行了一夜的巷戰(zhàn)?！稘M文老檔》承認：“是夜，城內明兵執(zhí)煙火戰(zhàn)至天明。”二十一日天明后努爾哈赤將入城的后金兵集合起來整兵列盾與城內明軍又進行了一次大戰(zhàn)，并派城外后金兵登城支援進攻城墻上據(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，與袁應泰有很大關系。他不顧朝廷質疑和麾下將領的反對，執(zhí)意收編大量蒙古部民充當援軍。夷丁主要是明朝將領將蒙古人及部分女真人招為家丁，主要是為了訓練省錢。這些人本來就會騎射，所以訓練成本低得多；而且給夷丁的錢肯定比招漢人家丁要便宜。熊廷弼時期堅決制止招募夷丁，賀世賢等將領只能勉強忍著。而熊廷弼一走，賀世賢等人立刻勸袁應泰接受這些夷丁。

結果袁應泰搬起石頭砸自己的腳，蒙古夷丁做了后金的內奸，致使遼陽城迅速淪陷。

遼陽的陷落導致周邊70余座城堡（如金州、復州、海州）不戰(zhàn)而降，明朝喪失遼河以東全部領土，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-寧遠一線，遼東防線縮至狹長走廊。努爾哈赤迅速遷都遼陽，正式從一個山城首都遷入到一個平原首都，奠定了成為一個帝國的基礎。遼陽作為跳板，使后金獲得西征蒙古、南圖中原的戰(zhàn)略主動權。

征服遼陽前，努爾哈赤仍是一個邊關土酋；進入遼陽城后，后金已經是與大明比肩的對等國家政權。