當晚袁應泰未進城，宿軍營中。此刻的他并沒有反思自己的過錯，而是責怪將領士兵們怯敵。
那些將領們見狀，紛紛敢怒不敢言，不過此時他們和袁應泰已經離心離德了。
第二天，努爾.哈赤派兵掘開城西閘門排除城壕內積水，又派兵守住城東水口，然后親率大軍渡護城河大呼而到城下。
袁應泰連忙讓軍士們應戰，但此時的明軍已經軍心不穩，加之昨日的大敗，畏戰情緒滿溢，雖然雙方鏖戰很久，但最后明軍還是傷亡慘重，大敗。
見狀，袁應泰只得下令退守城內，與巡按御史張銓等分陴固守。
不過監司高出、胡應棟等見形勢不妙，紛紛翻城墻逃走，遼陽城內人心頓時離散。
努爾.哈赤聽聞城中情況，便不再著急攻城了，于是下令圍困遼陽，大軍修整兩日。后金軍經過連日作戰，早已疲憊不堪，他準備稍事修整后，便一鼓作氣的那些遼陽。
二月二十三日，經過短暫修整后的后金軍士氣大振，于是努爾.哈赤便下令攻打遼陽城。
袁應泰督率軍士持盾牌大戰，不過他著實不適合領兵作戰，不就便又敗下陣來。除侯世祿、姜弼二人身負重傷，被部下護著潰圍而出外，其余將領皆戰死。
到了傍晚時，更樓起火，努爾.哈赤派軍從小西門進城，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，據說這是蒙古人所引導的。
袁應泰在城樓上見此情況，覺得大勢已去，無法挽回，此刻的他才忽然驚覺自己沒有軍事指揮的才能，與前任遼東經略熊廷弼相比更是相去甚遠。
想到此，他便嘆息著對一旁巡按御史張銓說道：“張大人，你沒有守城的責任，趕緊走吧！”
“大人，下官帶您一起殺出去！”張銓聞言連忙說道。
袁應泰聞言卻是搖頭苦笑道：“我走不了了，熊廷弼好不容易穩固住的遼東態勢，盡喪與我之手，我無顏去面對對我寄予厚望的陛下。”
“大人，.........”
張銓聞言準備再勸慰，袁應泰卻擺了擺手打斷道：“張大人，趁現在局勢混亂，你趕緊帶兵殺出去吧，去西寧堡，那里有秦良玉的白桿兵在，一時無礙，走吧，再不走就來不及了。”
“大人保重！”張銓見袁應泰決心已定，并不再相勸，拱手鄭重的對袁應泰行了一禮后，便轉身離開了。
“哈哈哈~”等張銓離開后，袁應泰頓時放聲大笑，隨即又大哭著朝京城所在的方向跪下，哭喊道：“陛下，臣有負于圣恩，辜負了您的重托，臣這就去了。”
說著，他鄭重的磕了一個頭后，隨即起身整了整衣冠，配上天啟賜的尚方寶劍、官印等，就在城樓上自縊而亡。
聽聞袁應泰已經殉國，天啟帝朱由校嘆了一口，擺了擺手說道：“罷了，袁經略既然已經守節，那..........”