此時孤城寧遠守軍不滿兩萬，前有勁敵，后無援兵，形勢險惡。
袁崇煥臨危不懼，召集諸將議戰守，決定采取堅壁清野之策，組織全城軍民共同守城。他在眾將士面前刺血為書，誓與寧遠共存亡，兵民為之感奮。
袁崇煥旋以總兵滿桂、副將左輔、參將祖大壽、副將朱梅分守城東、西、南、北四面，自與滿桂提督全城。
在城上配置西洋大炮十一門。
東、北兩面及西、南兩面，分由彭簪古、羅立指揮。
動員城廂商民入城，盡焚城外房舍、積芻，讓后金軍露處嚴寒野外。
袁崇煥還針對努爾哈赤善用間諜，親督同知程維楧稽查奸細，派人巡守街巷路口，又動員街民配合士兵逐戶搜捕。令通判金啟倧編派民夫，供給守城將士飲食。
又派官吏帶領城內商民籌辦物料，運矢石、火藥等。
軍民還在城墻外側潑水為冰，以阻后金軍登城。
一切守御準備于正月二十二日就緒，穩定了軍心民心。
正月二十三日，后金軍進抵寧遠，離城五里橫截山海大道，安營布陣，切斷寧遠與關內的聯系，在城北扎設大營。
努爾哈赤遣被擄漢人入城勸降，被嚴辭拒絕。
袁崇煥命羅立等向城北后金軍大營燃放西洋大炮，后金軍傷亡甚重，被迫將大營西移。
正月二十四日晨，努爾哈赤發動攻城，命后金軍推楯車、運鉤梯，步騎蜂擁攻城西南角，萬矢齊射城上，城堞箭鏃如雨注，懸牌似猬刺。
袁崇煥命發西洋大炮，又殺傷后金軍甚眾。
左輔率軍民依托堅城，死戰不退；祖大壽率軍應援，銃炮齊發，藥罐、雷石齊下，后金軍死傷累累。
努爾哈赤命移兵攻城南，以楯車作掩護，在城門角兩臺間守御薄弱處鑿開兩丈見方的大洞四處，寧遠城危如累卵。
袁崇煥在緊急關頭，親自擔土搬石，堵塞缺口，血染戰袍，仍鎮定自若，督率軍民縛柴澆油并摻火藥，用鐵索垂至城下燃燒；又選健丁五十名縋城，用棉花火藥等物將抵近城下的后金戰車盡行燒毀。戰至深夜，后金軍攻城不破，于是收兵。
正月二十五日，努爾哈赤繼續指揮攻城，從早晨至晚上，雙方激戰一天。明軍于城上施放炮火，殺傷大量后金騎兵。
后金軍畏懼炮火，不敢近城，其將領持刀驅兵，僅至城下而返，搶走尸體，運至城西門外磚窯焚化。努爾哈赤無奈，下令退至離城五里之九龍宮扎營。
正月二十六日，后金軍繼續圍城，精于騎射的八旗將士，卻被阻于深溝高壘之前，矢石炮火之下，難以發揮騎戰特長，傷亡甚重，被迫撤軍。
努爾哈赤攻寧遠不下，突襲覺華島。
時值隆冬，海面冰封，無險可守，明將姚撫民等率領官兵鑿開一道長達15里的冰濠，正月二十六日武訥格以騎兵進攻覺華島，明軍由于“鑿冰寒苦，既無盔甲、兵械，又系水手，不能耐戰，且以寡不敵眾”，最后全員戰死，金兵焚燒城中囤積糧料。
當時守將金冠剛死，其子金士麒與事丁800人至覺華島迎櫬，亦與后金軍作戰，全部被殺。
島上軍民一萬余口都被后金軍殺戮，糧草8萬余石和船2000余艘都被焚燒，這座明朝關外的后勤基地也被后金軍摧毀。
此時毛文龍出兵襲擊后金后方永寧，努爾哈赤率兵回軍，二月九日返回到沈陽。
此役兵敗之后，努爾哈赤悒郁疽發，于1626年，明天啟六年、后金天命十一年八月十一病卒。