宁远就是现在的辽宁兴城，位于山海关以东200余里。袁崇焕到后不久，远近各方为后金军兵祸所苦的许多关外百姓也从纷纷聚来，小小的宁远一下热闹了起来。宁远城其时刚筑了没多久，城墙只是一道土槽，根本无险可守。袁崇焕到任后，当即雷厉风行地征集士兵和百姓修筑城墙，他立了规格：城墙高3丈2尺，城雉再高6尺，城墙墙址宽3丈。袁崇焕与将士同甘共苦，对老百姓也非常好，所以筑城时人人尽力，几个月功夫就修筑完工。袁崇焕又从后方运来当时最先进的武器，产自荷兰的红夷大炮，共11门，架设在城上，宁远成为了一个非常坚固的军事堡垒。
在前方筑城的同时，孙承宗也在防线各处积极进行练兵屯田，逐渐把防线从山海关向东推进了400多里，收复了许多失地，整个辽东的形势得到了改观。然而奸贼误国，掌握朝政的大宦官魏忠贤竟嫌孙承宗不向他行贿，撤掉了孙承宗的职务，换了一个叫高第的人来当辽东经略。
天启六年(1626年)正月，努尔哈赤挟连战连胜之余威，率兵13万，号称20万，大举进攻宁远。袁崇焕手里只有1万多兵，后金军的兵力则多十几倍，众寡悬殊，情形十分危急。此时据守山海关的高第竟吓破了胆，急忙命令关外明军全部撤回来。袁崇焕接到命令后十分愤怒，拒不执行。高第也不管他，将其余的军事据点全部撤走，丢弃了辛辛苦苦收回的土地，关外只剩下宁远一座孤城。
危急之下袁崇焕镇定自若，他将家眷也接到城里，并刺血明誓，向官兵下拜激以忠义，与全城将士下了必死一战的决心。他下令将城外粮食全部运入渤海觉华岛(今菊花岛)中，将城外全部民房和草料烧尽，不给后金军留下任何东西;命参将祖大寿领一支兵马出宁远西北，做为外援，牵制后金军;自己率军驻守坚城，四门紧闭，组织百姓巡逻放哨，运送火药，做好了决战的准备。
正月二十三日，努尔哈赤率军杀到宁远，他令一支部队绕过宁远，切断了通向山海关的所有道路。其实努尔哈赤此举大可不必，袁崇焕是决不会从宁远后退的，而那个高第也不可能发一兵一卒来救宁远。努尔哈赤派人去宁远向袁崇焕传话：“我这次带了20大军来攻，宁远是绝对守不住的。你如果献城投降，我一定大加优待，封为大官。”
袁崇焕回书说：“你前次已占领了宁远和锦州，后来却放弃了。我修好了城来住，你又来攻，这是什么道理你说带了20万兵来，我看只有13万，倒也并不算少。我是要死守的，你攻便来攻。”
努尔哈赤新近连胜，兵锋所至，明军无不望风披靡。如今一个无名之将竟敢前来挑战，努尔哈赤不由大怒。二十四日，努尔哈赤亲自督军大举攻城，后金军漫山遍野扑向宁远。后金士兵自幼就骑马射箭，非常骠悍凶猛。为了在骑马奔驰时不被头发遮住脸，女真男人全都把前额剃光，把头发结成一根辫子。汉人称他们为“辫子兵”，畏之如虎。
后金军很快冲到了城下，而城中却鸦雀无声。突然之间，城头点起千万根火把，弓箭和滚石如雨点般投下城去。袁崇焕的军队虽少，但这些士兵可非辽东那些腐败明军可比，都是孙承宗训练出来的敢死之士，都是自愿和袁崇焕来守宁远的。后金军举起盾牌顶在头上防御，顽强迫近。这时从城头的垛口间推出了许多又长又大的木柜，这些大木柜一半在城内，一半探出城外，木柜中伏有身着盔甲的明军兵士，俯身射箭投石，投完了便将大木柜拉进来，再装矢石出去投掷。接着埋在城边的火药地雷爆发，土石飞扬，后金士兵和战马被炸得四处乱飞。攻城的后金先锋部队每人身上都披两层铁甲，他们推着包铁的撞车攻城，车顶以生牛皮蒙住，弓箭和石头不能将其损坏。袁崇焕命军士架起红夷大炮，对准后金军的后续部队连续轰击，每一炮打出去，火药和铁沙四处飞迸打得敌军尸横遍地。在此之前，后金军还从未见识过火炮的威力。眼见横飞的血肉残肢，即使勇猛如虎的后金士兵也不禁心生怯意。然而努尔哈赤大汗亲自在后面督战，后金军有进无退，仍然拼死冲来。
冲过成堆的尸体，后金军终于攻到近处，用撞车猛撞城墙，声音轰响，沙石飞溅，气势惊人。撞击了很久，城墙多处破损。后金军再用像云梯那样的包铁高车来撞击城墙高处。随后又把包铁车推到城墙边，上面用木板遮住，以挡城头投下的矢石，车里藏了兵士，用铁锹挖掘城墙墙脚。后金军攻进了城墙下的死角，大炮已打他们不到。在这危急之时，明军想到了计策，抬了屋子前的长条大块阶石从城上投下去。阶石十分沉重，铁车上的木板挡不住，砸死了不少后金士兵。攻城历时很久，城基被后金军挖成了一个个凹槽，他们躲在城墙洞内向里挖掘，城上再投大石下去，就打不到了。这时宁远四周十余里的城墙墙脚已被挖得千疮百孔，情势万分危险。满城百姓都惊慌得很，但想到城破后的惨景，便也拼命来相助守城。危急时刻，袁崇焕令士兵将铁索裹上撒有硫磺的棉絮，点火后甩出城外，再将火药撒在褥子和被单上，纷纷投到城下去。铁索来回扫荡，立即点燃褥子被单，在城墙下形成一道火障，烧死烧伤了不少后金军兵。城内又有匠人将火药放在空心的大泥团中，外面围以木框，点燃了药引投下城去，泥团不断旋转喷火，点燃了攻城的撞车，也烧死了很多后金兵。
这时城墙被撞垮了约二丈多，袁崇焕亲自搬石来堵塞缺口，连续两次中箭受伤。部将劝他保重，他厉声道：“宁远虽只区区一城，但与国家的存亡有关。宁远要是不守，数年之后，咱们的父母兄弟都成为鞑子的奴隶了。我若胆小怕死，就算侥幸保得一命，又有什么乐趣”撕下战袍来裹了左臂的伤口又战。将士在他的榜样之下，人人奋勇，终于堵上了缺口。
二十五日，后金军又来猛攻，袁崇焕率将士死战。红夷大炮发挥了巨大的威力，炮过之处，后金军死伤无数。勇猛善战的女真兵有些迟疑了，进攻队形出现了混乱。努尔哈赤大怒，再次到阵前督战。袁崇焕发现远处黄旗下有一人在指挥后金军攻城，于是令明军开炮轰击。一炮正中旗侧，指挥之人受伤倒下，周围的后金士兵立即扑上抢救，放声大哭。不久，后金军的攻势就停止了。袁崇焕不知，明军击伤的正是努尔哈赤本人。努尔哈赤被救回营后即下令停止攻城，第二天撤军而去。这是努尔哈赤一生打的唯一的一次败仗。
宁远一仗打得极是惨烈，后金军扔在城下的尸体足有上万具，而明军射出的箭支也有十几万支，城内贮存的火药也快打光了。宁远坚固的城墙上被后金军挖出了70余个洞穴，如果再打下去，局面真是非常危险。满城的百姓见绝处逢生，不由恍若隔世，全都伏地大哭，纷纷拜谢袁崇焕救命之恩。
第二天早晨，袁崇焕派人送了一份礼物和一封书信给正要退军的努尔哈赤，信中说：“老将军横行天下为时已久，今日败在我的手里，只怕是天意了。”努尔哈赤虽受重伤，但对袁崇焕也很钦佩，于是回送礼物及名马，约期再战。
撤军路上努尔哈赤对几个儿子说：“我自25岁起兵以来，战无不胜，攻无不克。为什么单是宁远一城就打不下来”心中十分恼怒。此后伤势越来越重，八月十一日，在离沈阳40里处的瑗鸡堡忧郁而死，终年68岁。
袁崇焕取得宁远大捷，极大的振奋了明朝军队的士气，使汉人们知道“辫子兵”也不是不可战胜的。袁崇焕在此战中，并没有使用什么出色的谋略，而纯是以勇气和意志来与努尔哈赤誓死一搏。可以看出，如果大明朝廷不是那么腐败，明军中再多些袁崇焕这样的将领，努尔哈赤是无论如何不能打到山海关的。宁远之战后，本来投降后金的的许多汉人官吏和士兵又逃了回来，山海关外许多驻军据点再次被收复。
努尔哈赤死后，他的儿子皇太极继位，改国号为满清。努尔哈赤有幸，父子两代皆是英雄。皇太极此人非同小可，是当时中国最杰出的人物。若单以胸怀而论，历代帝王中只有唐太宗李世民可以与他相比。他用人不疑，放胆使用人才，哪怕是反对过他的人。日后袁崇焕的部将祖大寿曾被清军两次擒获，降而又叛，与皇太极做对十几年。然而皇太极并不计较这些，依然对祖大寿加以重用，可以说是千古美谈。皇太极继承父亲遗志，积极整军练武，准备再攻明朝。
天启七年(1627年)五月，皇太极亲率8万精锐清军再度进攻辽西，连续攻下大凌河、小凌河2个要塞，兵围锦州。此时袁崇焕已升任辽东巡抚，锦州是他修筑的另一座关外重镇，由袁的大将赵率教守卫。
五月十一日，皇太极开始攻城。此时的明军在袁崇焕的训练下，战斗力已是今非昔比。皇太极挥军连续猛攻，但赵率教指挥有度，明军人人奋勇，清军的多次攻势都被击退。而且明军有红夷大炮等火器助阵，清军伤亡很大。袁崇焕一面派兵支援锦州，一面派遣祖大寿和尤世禄带了4000精兵，绕到清军后路去包抄，又派水师去攻东路作为牵制。皇太极一直攻到六月初四，还是不能得手，只得撤兵而去。
皇太极并不服气，整理好了兵马之后，又来攻宁远。
皇太极起初佯装叫阵力疲退兵，想引明军追来好半路伏击。袁崇焕看出他的计策，令坚守营垒并不出击。皇太极无奈，只好再来攻城。在此战之前，从无明军敢与清军正面做战。而此次则大为不同，袁崇焕竟整军出城，与皇太极正面对阵。原来，袁崇焕一改明军作战多为四调之军制，而代之“以辽人守辽土”，在一年时间里训练出了一支“关宁铁骑”。
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