廣寧潰師，無數明軍明將敗撤於關內，惟獨袁崇煥一人單騎出關，隨行隨觀，精心記憶山川形式，並詳細記錄防禦要點。回京後，他上疏奏言：“給我兵馬錢穀，我一人足守山海關外!”明廷當時爲之一振，立擢其爲僉事，監關外軍，發帑金二十萬給袁崇煥，讓他招兵買馬。
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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“先守後戰”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，並畫詳細地圖與對方。到山海關後，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，他在天啓四年(1624年)重築寧遠城，使這個原本的堡壘小城，儼然成爲關外重鎮，防守設施極其完備。果不其然，天啓六年(1626年)開春，努爾哈赤親率六萬後金精兵，矛戈一新，直向寧遠殺來。此城位於遼西走廊中段，西距山海關一百公里左右，東距瀋陽三百公里，北依高山，南瀕大海，實爲通往山海雄關的咽喉所在。
此次出兵，後金號稱二十萬。努爾哈赤抵達寧遠後，先招降袁崇煥。
袁崇煥笑謂使者：“二十萬大軍，沒那麼多吧，聽說只有十三萬，我大明將士，又有何懼!”然後，他率大將滿桂、祖大壽等人集體招集將士，誓以死守。爲激喚忠義之氣，袁崇煥熱血爲書，親執牛酒，遍拜將士。明軍上下思憤，踊躍效死。於是，在袁崇煥精密佈置下，明軍盡撤城周百姓入城，堅壁清野，並在城上安罩了當時最爲先進的西洋“紅夷大炮”十餘門。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，努爾哈赤下令後金軍進攻。一時之間，後金大辮子兵蔽野而來。他們羣涌向前，先推?車，依次弓箭手、車兵、重鎧鐵騎，堅實而又殺氣騰騰往城牆方向移動。
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袁崇煥鎮靜淡定，手揮令旗，明軍發炮。震耳欲聾之間，炮彈在後金隊伍中開花，堅厚高大的?車以及周遭的推車後金士兵頓時間被炸成木肉混合的屑沫，紅霧狂飛。
即使如此，後金兵仍奮不顧死，螞蟻一樣踊至城下，玩命挖鑿城牆。幸虧天寒地凍，寧遠城多處城牆磚石雖然穿，但凍土堅實，沒有垮塌下來。
由於攻至城下的後金士兵不在大炮射程內，明軍想出新招，把火藥塞入棉被中，投入牆下正挖牆角的後金士兵羣中。然後，守城明軍用弓箭射火，登時棉被四處開花，大火燒死不少後金兵，他們攻城的?車、雲梯也被紛紛點燃。
這樣，激戰二天有多，由於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，後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。惱急之餘，後金軍把島上數千居民均屠殺殆盡。
二十七日，努爾哈赤騎着高頭大馬，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。後金軍撤退途中，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屍體。後金軍狼狽而去。由於高麗蔘一天幾根吃着，受傷的努爾哈赤在病榻上殘喘了半年多，最後還是抱恨而死。
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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後“疽發於背”而死，即氣悶而死。其實，大炮的鐵丸子纔是他真正的死因。
勝訊傳來，明廷上下，一片歡呼。八年以來，第一次生挫後金兵鋒。由此，袁崇煥被提升爲右僉都御史，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，爲此均得蔭賞。一直駐守山海關畏縮不出兵求援的高第，由於他是閹黨人員，只落得去職閒住的小小處分。
寧遠之戰後，堅城大炮，成爲明軍戰略指導思想。爲此，明熹宗還下詔封十幾門西洋大炮爲“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爲“大夫”，確實有“進步”意義。此後，明與後金之間的形勢，從原先後金單方面的進攻，變成了雙方的戰略對峙。
