廣寧潰師，無數明軍明將敗撤于關內，惟獨袁崇煥一人單騎出關，隨行隨觀，精心記憶山川形式，并詳細記錄防御要點。回京后，他上疏奏言：“給我兵馬錢谷，我一人足守山海關外！”明廷當時為之一振，立擢其為僉事，監關外軍，發帑金二十萬給袁崇煥，讓他招兵買馬。

行前，他去看望了被“雙規”軟禁在京城的熊廷弼。兩人唔談整整一天，相見恨晚。特別是老熊得知這位袁爺自己持同樣的“先守后戰”的戰略方針，大喜之下，知無不言，言無不盡，向袁崇煥傳授了自己寶貴的戰爭經驗，并畫詳細地圖與對方。到山海關后，袁崇煥撫定哈剌慎諸部，深夜進駐中左所(距山海關約四十里)。在孫承宗支持下，他在天啟四年(1624年)重筑寧遠城，使這個原本的堡壘小城，儼然成為關外重鎮，防守設施極其完備。果不其然，天啟六年(1626年)開春，努爾哈赤親率六萬后金精兵，矛戈一新，直向寧遠殺來。此城位于遼西走廊中段，西距山海關一百公里左右，東距沈陽三百公里，北依高山，南瀕大海，實為通往山海雄關的咽喉所在。

此次出兵，后金號稱二十萬。努爾哈赤抵達寧遠后，先招降袁崇煥。

袁崇煥笑謂使者：“二十萬大軍，沒那么多吧，聽說只有十三萬，我大明將士，又有何懼！”然后，他率大將滿桂、祖大壽等人集體招集將士，誓以死守。為激喚忠義之氣，袁崇煥熱血為書，親執牛酒，遍拜將士。明軍上下思憤，踴躍效死。于是，在袁崇煥精密布置下，明軍盡撤城周百姓入城，堅壁清野，并在城上安罩了當時最為先進的西洋“紅夷大炮”十余門。值得一提的是，寧遠城內，明軍只有兵力不到二萬人。見勸降不成，努爾哈赤下令后金軍進攻。一時之間，后金大辮子兵蔽野而來。他們群涌向前，先推？車，依次弓箭手、車兵、重鎧鐵騎，堅實而又殺氣騰騰往城墻方向移動。

袁崇煥鎮靜淡定，手揮令旗，明軍發炮。震耳欲聾之間，炮彈在后金隊伍中開花，堅厚高大的？車以及周遭的推車后金士兵頓時間被炸成木肉混合的屑沫，紅霧狂飛。

即使如此，后金兵仍奮不顧死，螞蟻一樣踴至城下，玩命挖鑿城墻。幸虧天寒地凍，寧遠城多處城墻磚石雖然穿，但凍土堅實，沒有垮塌下來。

由于攻至城下的后金士兵不在大炮射程內，明軍想出新招，把火藥塞入棉被中，投入墻下正挖墻角的后金士兵群中。然后，守城明軍用弓箭射火，登時棉被四處開花，大火燒死不少后金兵，他們攻城的？車、云梯也被紛紛點燃。

這樣，激戰二天有多，由于寧遠城上紅夷大炮太厲害，努爾哈赤只得望城興嘆。惟一讓他略感安慰的是，后金一部攻殺覺華島守衛糧倉的明軍數千人，總算掙回一點面子。惱急之余，后金軍把島上數千居民均屠殺殆盡。

二十七日，努爾哈赤騎著高頭大馬，撤圍前想親自再看一眼寧遠城。結果，大炮又響，一枚鐵丸透入堅甲，直插入他的背中。雖然當時不要命，也使得這個老女真賊酋立馬吐血。受傷加上兵員重挫，他只能下令解圍回軍。后金軍撤退途中，袁崇煥命令祖大壽、滿桂等人率領明軍追擊，突出奇兵，把代善一軍殺得大敗虧輸，金雞嶺下，留下兩三前大辮子的尸體。后金軍狼狽而去。由于高麗參一天幾根吃著，受傷的努爾哈赤在病榻上殘喘了半年多，最后還是抱恨而死。

當然，清朝的官方文件諱口不言努爾哈赤真實死因，只說他是病死。明朝人講這位奴酋是寧遠失敗后“疽發于背”而死，即氣悶而死。其實，大炮的鐵丸子才是他真正的死因。

勝訊傳來，明廷上下，一片歡呼。八年以來，第一次生挫后金兵鋒。由此，袁崇煥被提升為右僉都御史，加遼東巡撫，諸將各有升賞。當然，“廠臣”魏忠賢功勞最大，“寧運大捷”被說成是他本人“指揮幃幄”的結果，其宗族子弟，為此均得蔭賞。一直駐守山海關畏縮不出兵求援的高第，由于他是閹黨人員，只落得去職閑住的小小處分。

寧遠之戰后，堅城大炮，成為明軍戰略指導思想。為此，明熹宗還下詔封十幾門西洋大炮為“安國全軍平遼靖虜大將軍”，這比起秦始皇封避雨的五棵大松樹為“大夫”，確實有“進步”意義。此后，明與后金之間的形勢，從原先后金單方面的進攻，變成了雙方的戰略對峙。