袁崇焕遵照朝廷的规定，于天启二年即天命七年（1622年），千里迢迢，到达北京。这次到京，是来朝觐，主要是接受朝廷的政绩考核。他在北京的日子，无心升官发财，只念社稷安危。他在北京的居所里，食不甘味，夜不安寝，要到塞外，了解边情。
辽东形势，更加严重。天启元年即天命六年（1621年），天命汗努尔哈赤率领八旗军，进入明朝辽河流域的核心地带，将兵锋指向明朝辽东重镇沈阳和明朝辽东首府辽阳。
沈阳是明朝在辽东的重镇。三月初十日，努尔哈赤亲率诸贝勒大臣，统领八旗大军，将板木、云梯、楯牌、战车，顺浑河而下，水陆并进，向沈阳进发。明军闻警，举燧传报。沈阳守将总兵官贺世贤、尤世功得警报后，连夜率领一万兵丁守城。沈阳城坚濠深，外围木栅，埋伏火炮，布置严密。十二日，八旗军兵临沈阳城下。明朝武举出身的总兵尤世功，带家丁冲出，杀死四人，略获小胜。努尔哈赤命令用战车冲锋，马步继之，将沈阳城围困。十三日清晨，努尔哈赤再派骑兵挑战。明朝行伍出身的总兵官贺世贤勇而无谋，日日饮酒，贪功冒险，出城迎战。据《明熹宗实录》记载：“世贤故嗜酒，次日取酒引满，率家丁千余出城击奴，曰：‘尽敌而反’！”努尔哈赤以羸卒诈败，引诱明军。贺世贤乘锐轻进，离城野战。后金军精骑四合，世贤且战且却，从东门退到西门，身中数十矢，坠马而死。总兵尤世功出西门营救，士卒哄散，马仆身死。八旗兵乘机蜂拥过濠，急攻东门。此时，城中溃乱，暗藏奸细，从中内应，八旗军进占沈阳城。明沈阳城兵民被杀死者，有记载说7万人。努尔哈赤攻陷沈阳后第五天（十八日），乘势长驱，集中兵力，一鼓作气，进攻辽阳。
辽阳是明朝辽东首府、辽东经略驻地，是东北政治、经济、军事和文化的中心。辽阳为繁华之区，尝有“辽阳春似洛阳春，紫陌飞花不见尘”之誉。辽阳城高池深，四隅角楼，防卫森严。明辽东经略袁应泰得到沈阳失陷败报后，急檄撤回各路兵马，集中守卫辽阳。十九日，后金军包围辽阳。经略袁应泰督五总兵侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、朱万良，率军出城五里处结阵，与后金军对垒。后金军火器齐放，拥众冲杀；明军营乱，开始溃散。后金军乘胜追击60里，至鞍山胜利返回。同时，辽阳西关出援的明军，也被后金军击败。是夜，明兵在城外扎营，经略袁应泰宿在营中。努尔哈赤也在包围辽阳的八旗军中过夜。二十日，八旗军两面攻城：右翼四旗兵攻打东门，左翼四旗兵攻打小西门。明军发火箭抗击，后金兵稍受挫。努尔哈赤命右翼分兵堵塞城东入水口，左翼分兵挖开小西门闸口以泄濠水。后金兵呼喊而进，明骑兵先动摇。后金兵发动强攻，明军步兵受挫败退。明总兵梁仲善、朱万良战死，步骑兵大溃，望城而奔，被杀及溺死者甚众。袁应泰退入城内，与巡按御史张铨分陴固守。左翼军派骑向努尔哈赤驰报：小西门桥能夺下来！努尔哈赤命令道：“你们试夺桥入！”莽古尔泰贝勒、阿敏贝勒遂率兵冒炮火夺桥。扬古利奋勇陷阵，夺桥渡河，近城强攻。城上万矢下射，后金兵奋死前进。傍晚，左翼军竖云梯，列楯车，登城而上，同城垛守军展开肉搏战。明军提灯夜战，直至天亮。明监司高出，道员牛维曜、胡嘉栋及督饷郎中傅国等乘乱缒城而逃，人心涣散。二十一日，努尔哈赤督率左右翼军发起总攻。袁应泰列楯大战，奋死抵御。傍晚，小西门火药起火，守城军士溃乱。城外后金军夺门，城内谍工巨族内应。后金军入城，城里民家多开门张灯，妇女也盛饰迎门。袁应泰见城陷，佩剑印，自缢死。其仆唐世明，伏尸大哭，纵火焚楼亦死。辽东巡按御史张铨被俘，李永芳劝降，不服；努尔哈赤诱以高爵，也不从，被缢死。努尔哈赤攻占辽阳，下令汉民剃发，以示归顺。他利用已降顺的通判黄衣，剃去头发，披红蟒衣，骑着骡子，沿街游说，但受到拒绝降金汉人的唾弃。
辽阳既下，辽河以东的三河、东胜、长静、长宁、长定、长安、长胜、长勇、长营、静远、上榆林、十方寺、丁字泊、宋家泊、曾迟、镇西、殷家庄、平定、定远、庆云、古城、永宁、镇夷、清阳、镇北、威远、静安、孤山、洒马吉、云爱阳、新安、新奠、宽奠、大奠、永奠、长奠、镇江、汤站、凤凰、镇东、镇夷、甜水站、草河、威宁营、奉集、穆家、武靖营、平虏、虎皮、蒲河、懿路、汎河、中固、鞍山、海州、东昌、耀州、盖州、熊岳、五十寨、复州、永宁监、栾古、石河、金州、盐场、望海埚、红嘴、归服、黄骨岛、岫岩、青台峪等大小70余城官民，都剃发投降。
后金军连下沈阳、辽阳后，将都城由赫图阿拉（今辽宁新宾永陵镇老城村）迁到辽阳。努尔哈赤迁都辽阳，表明后金由辽东山区，进入辽河平原。接着，后金在辽阳兴建新城，就是东京城。
天启二年即天命七年（1622年）正月，努尔哈赤统领军队，进攻明朝在辽河以西的重镇——广宁（今辽宁省北宁市）。按明朝的制度，辽阳是辽东的首府，也是辽东总兵的驻地。辽东巡抚则驻广宁。所以，广宁是当时辽西的军事与行政中心。明军失陷沈阳、辽阳后，便加强对广宁的防守。
熊廷弼像
原明朝辽东经略袁应泰，失守辽阳，自缢而死。明廷启用熊廷弼任辽东经略。
熊廷弼（1569～1625年），字飞百，江夏（今湖北武昌）人，万历二十六年（1598年）进士。熊廷弼先后三次为官辽东。
第一次，万历三十六年（1608年）巡按辽东。当时辽东大旱，熊廷弼巡行途经金州（今金县），在城隍庙求雨，“约七日雨，不雨毁其庙”。过期三天，没有下雨。他“大书白牌，封熊廷弼《按辽疏稿》剑，使使往斩之”。就是派使臣前往城隍庙，斩城隍庙神。使臣“未至，风雷大作，雨如注，辽人以为神”。这个故事，属于巧合，但说明熊廷弼敢于同天神搏斗的胆量与气概。他巡按辽东的政绩，《明史·熊廷弼传》记载：“在辽数年，杜馈遗，核军实，按劾将吏，不事姑息，风纪大振。”熊廷弼拒绝送礼，整顿粮饷，严肃军纪，雷厉风行，收到实效。
第二次，万历四十七年（1619年），杨镐萨尔浒丧师之后，熊廷弼代杨镐为辽东经略。熊经略接受任命后，未出京，开原失；刚出关，铁岭陷。关外防线，一片混乱。他派佥事韩原善前往沈阳招抚流民，原善害怕不肯行；又派佥事阎鸣泰去，鸣泰刚到虎皮驿，吓得大哭而返。熊廷弼亲自巡历，自虎皮驿，抵沈阳，乘雪夜，赴抚顺。他整顿辽东防务，大见成效。天命汗努尔哈赤很怵“熊蛮子”，未敢轻举妄动。 但是，熊廷弼遭到廷臣的嫉妒、阉党的诽谤，被迫离职，“回乡听勘”。努尔哈赤得到熊廷弼去职的消息，又利用明朝皇帝更迭的时机，举兵攻下沈阳、辽阳。阁臣刘一燝奏称：“使廷弼在辽，当不至此。”于是，朝廷又想起熊廷弼，再次启用他为辽东经略。以王化贞为辽东巡抚。
《满洲实录·广宁官生出城纳降图》
第三次，天启元年（1621年）六月，熊廷弼为辽东经略。明朝辽东经略熊廷弼与巡抚王化贞不和，朝廷内部矛盾激化，前方兵略意见抵牾（wǔ）。后金军统帅努尔哈赤统领八旗大军，乘己方的锐气，彼方的弱势，渡过辽河，进兵西平。经过激战，西平失守。后金进军广宁。广宁游击孙得功内应，王化贞狼狈出逃。后金军没有发一矢、挥一刀，占领广宁。努尔哈赤的军队，继续南进，攻入义州，逼近宁远。明辽东经略熊廷弼、巡抚王化贞，带领逃将溃兵、大量难民，以10万计，向山海关全面溃退，饥民哀号，哭声震野。后金占领广宁，并接连攻陷义州、平阳桥、西兴堡、锦州、铁场、大凌河、锦安、右屯卫、团山、镇宁、镇远、镇安、镇静、镇边、大清堡、大康堡、镇武堡、壮镇堡、闾阳驿、十三山驿、小凌河、松山、杏山、牵马岭、戚家堡、正安、锦昌、中安、镇彝、大静、大宁、大平、大安、大定、大茂、大胜、大镇、大福、大兴、盘山驿、鄂拓堡、白土厂、塔山堡、中安堡、双台堡等40余座城堡。后金军将广宁等地数百万饷帑（ｔǎｎɡ）、粮食、军器、火药、马牛、布帛等，车推驴驮，运回辽阳。努尔哈赤还下令把辽河以西的人民，驱赶到辽河迤东。以右屯卫为例，被驱赶的人口有14728人，被掠走的牲畜为6197头，被运走的粮食有503681石7斗7升。后来明朝天启帝以辽东经略熊廷弼“失陷广宁罪”，遂于天启五年（1625年）八月，将他柴市处斩，传首九边——辽东、蓟州、宣府、太原、大同、延绥（榆林）、固原、宁夏、甘肃九个边镇。
广宁兵败，北京大震。关外局势，更趋恶化，社会危机，更为深重。明朝弃守广宁之后，辽东形势，为之一变。明朝任命王在晋为辽东经略。辽东经略王在晋分析当时关外形势道：
东事离披，一坏于清、抚，再坏于开、铁，三坏于辽、沈，四坏于广宁。初坏为危局，再坏为败局，三坏为残局，至于四坏——捐弃全辽，则无局之可布矣！逐步退缩之于山海，此后再无一步可退。
王在晋的意思是：明朝先失陷抚顺、清河、开原、铁岭、辽阳、沈阳，又失陷广宁，丢弃全辽，无局可守。明失守广宁，其严重性，正在于此。《明史》记载：自努尔哈赤攻陷抚顺以来，明朝在辽东的总兵官，阵亡者共14人：抚顺则张承胤，萨尔浒之战则杜松、刘、王宣、赵梦麟，开原则马林，沈阳则贺世贤、尤世功，浑河则童钟揆、陈策，辽阳则杨宗业、梁仲善，广宁则刘渠、祁秉忠。京师朝野官员，可谓谈敌色变。
袁崇焕就是在明朝关外局势空前严重的态势下，单骑出关，巡视形势。于此，《明史·袁崇焕传》写道：
天启二年正月，朝觐在都。御史侯恂请破格用之，遂擢兵部职方主事。无何，广宁师溃，廷议扼山海关，崇焕即单骑出阅关内外。部中失袁主事，讶之，家人亦莫知所往。已，还朝，具言关上形势。曰：“予我军马钱谷，我一人足守此！”廷臣益称其才，遂超擢佥事，监关外军，发帑金二十万，俾招募。
在失陷广宁的第四天，御史侯恂慧眼识人，不泥成规，题请破格擢用袁崇焕，具疏奏言：
见在朝觐邵武县知县袁崇焕，英风伟略，不妨破格留用。
明天启帝采纳侯恂等的建议，授袁崇焕为兵部职方司主事，旋升为山东按察司佥事、山海监军。
职方司主事，是兵部的一个官称。明朝官制，兵部下设武选、职方、车驾、武库四个司。职方司有郎中一人、员外郎一人、主事二人。
时广宁已失，廷臣惶惧，崇焕请一人守关的豪言壮语，对收拾珍宝准备南逃的朝臣，是一剂安神良药。但也表明了袁崇焕的任事任性，很有胆识和几分狂气。张岱在《石匮书后集》中说：“时广宁失守，王化贞与熊廷弼逃归，画山海关为守。京师各官，言及辽事，皆缩朒不敢任。崇焕独攘臂请行。”同僚们赞叹他的勇敢与胆略。
袁崇焕单骑出阅山海关内外的时间，一说是在他朝觐时等待职务变动期间，另一说是他在任兵部职方司主事之后。不管是前者或是后者，其共同之点是都确认袁崇焕到山海关一带察看关内外形势。袁崇焕同当时文武官员惧怕出关、畏敌如虎相反，敢于冒险、敢挑重担，的确胆略过人。袁崇焕任职后，上《擢佥事监军奏方略疏》。他在奏疏中一扫文臣武将中普遍存在的悲观、恐惧情绪，力请练兵选将，整械造船，固守山海，远图恢复。他疏言：“不但巩固山海，即已失之封疆，行将复之。”袁崇焕赴任前，往见革职听勘在京的熊廷弼。“廷弼问：‘操何策以往?’曰：‘主守而后战。’廷弼跃然喜。”袁、熊二人为图先守后战，恢复辽东方略，诚恳交谈，商酌竟日。袁崇焕辞别熊廷弼，策骑驰往山海关，会同经略，商度战守。不久，袁崇焕出关就职。
时京师文武各官，皆心情畏缩，不敢出关，担任辽职，但袁崇焕看望熊廷弼，请教兵略，勇敢出任。后他在《边中送别》诗中抒发出京赴辽的雄心与抱负：
袁崇焕赴任后，先驻山海关，不久移驻中前所。当时山海关外广大地域，为漠南蒙古哈剌慎等部占据，袁崇焕便驻守关内。朝廷采纳蓟辽总督王象乾的奏议，对边外蒙古部落实行“抚赏”政策，就是颁发赏银，争取他们同明朝结盟，共同抵御后金。一些蒙古部落首领接受了“抚赏”，辽东经略王在晋令袁崇焕移到山海关外中前所（今辽宁省绥中县前所镇）。
王在晋又令袁崇焕往前屯（今辽宁绥中前屯），安置辽民流亡、失业者。袁崇焕受命之后，连夜赶路，丛林荒野，虎豹出没，天明入城，将士都赞叹他的勇敢与胆量。王在晋更加信任、器重袁崇焕，于七月初题请任命他为宁前兵备佥事。
袁崇焕分管募兵期间，从家乡招募了一批兵员。他推荐叔父袁玉佩负责招募广东兵，又从广西调集狼兵，由他亲戚，慷慨且善武艺的林凤翔带领。他们中包括袁崇焕生平所结纳的死士谢尚政、洪安澜等人。朝廷一一批准。
王在晋提出在山海关外八里铺地方，再建一座城，设官兵4万，护卫山海关。袁崇焕认为：不应当在八里铺筑城，而应当在宁远卫筑城。两人意见不合，发生尖锐争论。