崇祯二年十月，后金皇太极举倾国之力，率十万精锐绕过袁崇焕驻守的宁远、锦州等地，借道蒙古，从大安口、喜峰口突破长城防御入关，直袭北京，蓟辽督师袁崇焕急率麾下关宁军千里回援，沿途分兵留守各地，最终仅率九千关宁铁骑，在北京城外广渠门与皇太极展开野战，血战十小时成功击退敌军，解了京城之围，是明朝末期战场上最辉煌、也是最后的大胜。
此前，皇太极的父亲努尔哈赤也曾大举南下攻击大明山海关，只是在宁远之战中被袁崇焕红衣大炮击败，损失惨重，努尔哈赤回去不久后病逝，皇太极继承汗位后，再次大军围困宁远、锦州，激战二十余天而不得，皇太极见胜利无望，被迫撤兵，此后不敢再进犯关宁锦防线，转而谋求借道蒙古的进攻路线。
皇太极绕道入关后，袁崇焕率关宁军回援，急令山海关总兵赵率教领四千兵马赴遵化，希望在此拖住皇太极，可惜皇太极用兵神速诡异，提前到达遵化，并在遵化和三屯营之间设伏，赵率教四千兵马全军覆没，之后皇太极拿下遵化，绕过蓟州、通州，直取京师，而此时袁崇焕也亲率两万关宁铁骑入关，千里急行并在沿途留下兵马驻守，最终率九千关宁铁骑提前皇太极一天抵达北京，陈兵广渠门外。
十一月二十日， 皇太极近十万大军兵临北京城下，自180年前“土木堡之变”后，京师还从未陷入过如此绝境，当时城外只有两队兵马，一队是入京勤王的大同总兵满桂、宣府总兵侯世禄，一队就是袁崇焕的关宁铁骑，满桂、侯世禄驻守德胜门，交战不久侯世禄部就被击溃，满桂部被城头大炮误伤，几乎死伤殆尽，被迫退入瓮城休整，城下坚守的只剩下袁崇焕的疲惫之师九千关宁铁骑，而对手则是近十万后金军精锐。
关宁铁骑上下深知此战的重要性，京城不容有失，因此也不需要袁崇焕太多的动员，全军上下将士一心，誓死守卫京师，袁崇焕命祖大寿布阵于南面、王承胤防守西北、亲率中军驻守西面，成品字形严阵以待，交战时后金兵先攻击祖大寿阵地，被祖大寿奋力击退，而后转攻王承胤阵地，王承胤心怯避战，率部向袁崇焕驻地溃退，与中军搅在一起，随后明金双方主力在袁崇焕阵地展开激烈混战，双方均死伤惨重，而后祖大寿的南路军也主动出击，攻击金兵侧翼，经过近十个小时的鏖战，金兵溃败而去，明军立即追击，歼敌无数。
皇太极在广渠门作战失利后，撤兵京郊，寻机再战，并纵兵劫掠城外百姓，焚烧民舍，十一月二十七日，皇太极再次出兵，与袁崇焕大军激战于左安门外，却再次被关宁铁骑击退，袁崇焕又派遣火部队炮轰金兵营地，皇太极金帐被炸，皇太极见不能取胜，才引兵撤退，京师之围遂解。
但皇太极退兵前实施“离间计”，故意说与袁崇焕定有密约，让俘虏的太监听到，并假意放归太监回京，而很多朝中大臣也因城郊庄园被金兵所毁，对袁崇焕不满，诽谤他是有意放金兵入关，生性多疑的崇祯帝将袁崇焕问罪下狱，崇祯三年八月，袁崇焕被凌迟处死。
因主帅入狱，战力极强、屡立奇功的关宁铁骑在北京城下也屡遭不公正待遇，被京营部队谩骂侮辱，从城头仍砖砸死数人，守夜的士卒还被勒索钱财，最终关宁铁骑跟随祖大寿降清，后又成为祖大寿外甥吴三桂的主力部队，帮助清军攻陷了北京城，剿灭李自成农民军，最终跟随吴三桂反清，被康熙讨平消逝。