其时正值正月，东北地区天寒地冻，即使久居塞外的女真人也难抵严寒，只希望能速战速决。袁崇焕动员城外民众悉数入城居住，把城外的房屋、草料一把火全部烧光，让后金军无处可住，只能架起单薄的帐篷，露居冰寒刺骨的野外。

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他还动员军民在城墙外侧泼水为冰，冰墙滑溜，正好阻挡后金军登城。

后金军进抵宁远后，在城北安营扎寨。

袁崇焕一见当即乐了，金军大营恰好就在火炮射程范围之内。他于是命人大放火炮，后金军伤亡惨重，只能咬牙切齿将大营扎得再远一点点。

不日，稳住阵脚的后金军大举进攻宁远城东门。他们以弓箭手万箭齐发进行火力压制，然后以重骑兵蜂拥凿城。袁崇焕命令西洋大炮及所有火器齐发，又将干草灌以油脂和火药，点燃后向城下投放，后金兵被烧死炸死无数。

努尔哈赤无奈，转而攻击城南，他们采取人海战术，在城门角两台间炮火守御最薄弱的地方凿开四个两丈见方的大洞。

千钧一发之际，袁崇焕冲在最前面，担土搬石，堵塞缺口，同时命军民缚柴浇油，用棉花和火药将缺口处烧成一片火海。

在一波接一波如巨浪般的攻势前，袁崇焕与众将士始终坚守不退。战至深夜，后金军率先熬不住，鸣金收兵。

后金军连续攻城两天，损失惨重却毫无战果，后金军被迫退军。

这是努尔哈赤起兵以来首次对明朝攻城败北，也是明军第一次对后金军正面交锋的重大胜利。

明熹宗为之扬眉吐气，连续加封袁崇焕至兵部右侍郎兼都察院右佥都御史，巡抚辽东、山海等处，可便宜行事。

因为他是孙承宗提拔重用的下属，孙承宗的二儿子因功授锦衣卫千户衔。