皇太极听说明军已经完成了塔山、大凌河、锦州等城堡的建设，致信袁崇焕，横加指责，语气狂妄。五月中旬，皇太极借口明军筑城屯田，而袁崇焕事前没有通报，亲自率军征讨，大凌河、小凌河的明军弃城，皇太极挥师包围了锦州城。宁、锦大战打响。
《明史纪事本末》对这次大战记述详细：平辽总兵官赵率教和大将左辅、朱梅、监军纪用等人被围在锦州城中，为了拖延时间，赵率教派人前往皇太极军营，皇太极盛气凌人，愤然质问使者：“这里是我家地方，你们为什么在此修城?”
皇太极派了使者跟随进城，劝说守军投降，赵率教说：“要攻城只管攻管，不必多说。”
天亮以后，后金军队兵分两路，抬着挨牌和云梯，分别攻打北城和西城。明军奋力反击，“炮火矢石交下如雨”。从辰时战到戌时，后金军队在城外丢下累累尸体，毫无进展，只好退出五里结营。第二天，后金骑兵环城而行，在爪篱山包围了山海总兵官满桂派来的援兵，满桂和总兵官尤世禄随后率兵赶到，与八旗军激战。
皇太极暂时解除对锦州的围困，向沈阳征调援军。这期间，身在宁远的袁崇焕汲取广宁溃败的教训，命令宁远守军按兵不动，只派尤世禄和祖大寿率领四千精兵，绕到八旗军后方袭扰，同时出动水兵向东进军，威胁敌后。山海关内的明军也做出相应的调动。
八旗军援兵赶到，皇太极分兵攻打宁远。袁崇焕采用从前的战术，依靠坚城重炮进行防守，自己和刘应坤、毕自肃在城墙上拒守，满桂、尤世禄和祖大寿几位大将在城外结阵拒战。
皇太极下令八旗军冲击明军大营，三位大贝勒都认为不可。这让皇太极大怒，这是他登临大位以后第一次亲自出征，锦州城下的挫败让他十分恼怒，他不能再忍受任何的失败。于是命令众人披戴盔甲，自己率领阿济格等人催马向前，击溃满桂的前锋，一路追杀到宁远城下。
各位贝勒来不及穿戴盔甲，匆匆跟随向上。混战中，济尔哈朗等多人受伤，双方死伤惨重，积尸布地。
锦州方面，八旗军只留下少量军力监视，赵率教趁机主动出战，击溃敌军。镶黄旗游击将军觉罗拜山、备御巴希战死。皇太极担心被明军截断归路，匆匆从宁远撤兵，回去继续攻打锦州。这一次八旗军依然没有收获，士卒死伤累累，皇太极无奈撤回沈阳，期间毁掉了大凌河、小凌河二城。
宁、锦之战持续近一个月，八旗军损失许多士卒，最终没能拿下锦州城。这是继宁远挫败之后的又一次挫败，八旗军把失败归于天气酷热。
宁、锦大捷当中，表现最突出的是两位总兵官，即山海关的满桂和锦州的赵率教，满桂加为太子太师。袁崇焕却受到许多批评，批评他坐视锦州被围却按兵不动，批评他暮气沉重。当年宁远之战，八旗军攻城受挫，分重兵越冰攻打觉华岛，如果袁崇焕能像赵率教一样灵活敢战，出城袭扰，觉华岛上的惨剧兴许不会发生。
袁崇焕很清楚，北京方面这些批评的背后是魏忠贤对自己的不满。袁崇焕想要加以补救，建议仿效其它地方，在宁远为魏忠贤建造重视祠。
这种讨好的作法效果不大，袁崇焕只好请求归乡养病。在一篇长文中，他详细说明了自己关于辽东事务的想法，提出“守为正着，战为奇着，款为旁着。以实不以虚，以渐不以骤。”
在许多方面，袁崇焕与熊廷弼的思路是相似的，两个人的差别在于：袁崇焕更有积极进取之心，对于辽东的未来更为乐观。
朝廷客套地挽留几次，七月袁崇焕离职，由王之臣出任督师兼辽东巡抚。王之臣一惯赏识满桂，派他镇守宁远。二人召收蒙古的炒花各部，所以满桂麾下有许多蒙古士兵，颇有战斗力。