皇太極聽說明軍已經完成了塔山、大淩河、錦州等城堡的建設，致信袁崇煥，橫加指責，語氣狂妄。五月中旬，皇太極藉口明軍築城屯田，而袁崇煥事前沒有通報，親自率軍征討，大淩河、小淩河的明軍棄城，皇太極揮師包圍了錦州城。寧、錦大戰打響。
《明史紀事本末》對這次大戰記述詳細：平遼總兵官趙率教和大將左輔、朱梅、監軍紀用等人被圍在錦州城中，爲了拖延時間，趙率教派人前往皇太極軍營，皇太極盛氣凌人，憤然質問使者：“這裏是我家地方，你們爲什麼在此修城?”
皇太極派了使者跟隨進城，勸說守軍投降，趙率教說：“要攻城只管攻管，不必多說。”
天亮以後，後金軍隊兵分兩路，擡着挨牌和雲梯，分別攻打北城和西城。明軍奮力反擊，“炮火矢石交下如雨”。從辰時戰到戌時，後金軍隊在城外丟下累累屍體，毫無進展，只好退出五里結營。第二天，後金騎兵環城而行，在爪籬山包圍了山海總兵官滿桂派來的援兵，滿桂和總兵官尤世祿隨後率兵趕到，與八旗軍激戰。
皇太極暫時解除對錦州的圍困，向瀋陽徵調援軍。這期間，身在寧遠的袁崇煥汲取廣寧潰敗的教訓，命令寧遠守軍按兵不動，只派尤世祿和祖大壽率領四千精兵，繞到八旗軍後方襲擾，同時出動水兵向東進軍，威脅敵後。山海關內的明軍也做出相應的調動。
八旗軍援兵趕到，皇太極分兵攻打寧遠。袁崇煥採用從前的戰術，依靠堅城重炮進行防守，自己和劉應坤、畢自肅在城牆上拒守，滿桂、尤世祿和祖大壽幾位大將在城外結陣拒戰。
皇太極下令八旗軍衝擊明軍大營，三位大貝勒都認爲不可。這讓皇太極大怒，這是他登臨大位以後第一次親自出徵，錦州城下的挫敗讓他十分惱怒，他不能再忍受任何的失敗。於是命令衆人披戴盔甲，自己率領阿濟格等人催馬向前，擊潰滿桂的前鋒，一路追殺到寧遠城下。
各位貝勒來不及穿戴盔甲，匆匆跟隨向上。混戰中，濟爾哈朗等多人受傷，雙方死傷慘重，積屍布地。
錦州方面，八旗軍只留下少量軍力監視，趙率教趁機主動出戰，擊潰敵軍。鑲黃旗遊擊將軍覺羅拜山、備禦巴希戰死。皇太極擔心被明軍截斷歸路，匆匆從寧遠撤兵，回去繼續攻打錦州。這一次八旗軍依然沒有收穫，士卒死傷累累，皇太極無奈撤回瀋陽，期間毀掉了大淩河、小淩河二城。
寧、錦之戰持續近一個月，八旗軍損失許多士卒，最終沒能拿下錦州城。這是繼寧遠挫敗之後的又一次挫敗，八旗軍把失敗歸於天氣酷熱。
寧、錦大捷當中，表現最突出的是兩位總兵官，即山海關的滿桂和錦州的趙率教，滿桂加爲太子太師。袁崇煥卻受到許多批評，批評他坐視錦州被圍卻按兵不動，批評他暮氣沉重。當年寧遠之戰，八旗軍攻城受挫，分重兵越冰攻打覺華島，如果袁崇煥能像趙率教一樣靈活敢戰，出城襲擾，覺華島上的慘劇興許不會發生。
袁崇煥很清楚，北京方面這些批評的背後是魏忠賢對自己的不滿。袁崇煥想要加以補救，建議仿效其它地方，在寧遠爲魏忠賢建造重視祠。
這種討好的作法效果不大，袁崇煥只好請求歸鄉養病。在一篇長文中，他詳細說明了自己關於遼東事務的想法，提出“守爲正着，戰爲奇着，款爲旁着。以實不以虛，以漸不以驟。”
在許多方面，袁崇煥與熊廷弼的思路是相似的，兩個人的差別在於：袁崇煥更有積極進取之心，對於遼東的未來更爲樂觀。
朝廷客套地挽留幾次，七月袁崇煥離職，由王之臣出任督師兼遼東巡撫。王之臣一慣賞識滿桂，派他鎮守寧遠。二人召收蒙古的炒花各部，所以滿桂麾下有許多蒙古士兵，頗有戰鬥力。
