努尔哈赤统率八旗军西渡辽河之后，长驱直前，指向四虚无援的孤城宁远。
正月二十二日，袁崇焕守城部署刚刚就绪。他与几个幕僚至鼓楼，同朝鲜使臣翻译韩瑗等谈古论今，镇静如常。他先令兵民“偃旗息鼓待之，城中若无人”，静待后金兵近城池。
二十三日，八旗军穿过宁远城东五里处的首山与螺峰山（窟窿山）之间隘口，兵薄宁远城郊。努尔哈赤命离城五里，横截山海大路，安营布阵，并在城北扎设统帅大营。努尔哈赤在发起攻城之前，释放被虏汉人回宁远城，传汗旨，劝投降；但遭到袁崇焕的严辞拒绝。《清太祖武皇帝实录》记载：
放捉获汉人，入宁远往告:“吾以二十万兵攻此城，破之必矣！尔众官若降，即封以高爵。”宁远道袁崇焕答曰:“汗何故遽加兵耶?宁、锦二城，乃汗所弃之地，吾恢复之，义当死守，岂有降理！乃谓来兵二十万，虚也，吾已知十三万，岂其以尔为寡乎！”
袁崇焕断然拒绝努尔哈赤诱降之后，命家人罗立等向城北后金军大营，施放西洋大炮，“遂一炮歼虏数百”。后金军不敢留此驻营，将大营移到城西。努尔哈赤见袁崇焕既拒不投明军铁头盔降，又发炮轰击大营，命准备战具，次日再攻城。
二十四日。后金兵推楯车，运钩梯，步骑蜂拥进攻，万矢齐射城上。在城堞上，箭镞如雨注，悬牌似猬皮。明军凭坚城护卫，既不怕城下骑兵猛冲，又能够躲避箭矢射击。后金集中兵力，攻打城西南角。左辅领兵坚守，祖大寿率军应援。明军用矢石、铁铳和西洋大炮下击。后金兵死伤累累，又移攻南城。后金军在城门角两台间火力薄弱处凿城。守城军“则门角两台，攒对横击”。明军以城护炮，以炮卫城。都司佥书彭簪古指挥东、北二面大炮，罗立指挥西、南二面大炮，“从城上击，周而不停，每炮所中，糜烂可数里”。后金兵顶着炮火，用楯车撞城；冒着严寒，用大斧凿城。明军发矢镞，掷礌石，飞火球，投药罐；后金兵前仆明军作战时使用的石雷后继，冒死不退，前锋挖凿冻土城，凿开高二丈余的大洞三四处，宁远城受到严重威胁。袁崇焕在严重危急关头，身先士卒，不幸负伤，“自裂战袍，裹左伤处，战益力；将卒愧，厉奋争先，相翼蔽城”。在城危之时，袁崇焕命官兵用芦花、棉被装裹火药，号“万人敌”；又以“缚柴烧油，并搀火药，用铁绳系下烧之”；并选50名健丁缒下，用棉花火药等物烧杀挖城墙的后金兵勇士——“火星所及，无不糜烂”。据明方塘报记载：“贼遂凿城高二丈余者三四处，于是火毬（qiú）、火把争乱发下，更以铁索垂火烧之，牌始焚，穴城之人始毙，贼稍却。而金通判手放大炮，竟以此殒。城下贼尸堆积。”这一天，后金军攻城，自清晨至深夜，尸积城下，几乎陷城。
二十五日。后金兵再倾力攻城。城上施放炮火，“炮过处，打死北骑无算”。后金兵惧怕利炮，畏葸（xǐ）不前，“其酋长持刀驱兵，仅至城下而返”。后金兵士一面抢走城下尸体，运到城西门外砖窑焚化；一面继续攻城。但攻不能克，乃下令收兵。后金军两日攻城，共折游击二员、备御二员、兵五百，攻具焚弃，丧失殆尽。努尔哈赤被迫停止攻城，退到西南侧离城五里的龙宫寺扎营。
二十六日，后金兵继续围城，明兵不断发射西洋大炮轰击。努尔哈赤无计可施，便改变进攻策略，命武讷格率军履冰渡海，进攻明军储存粮料基地——觉华岛（见后文）。
袁崇焕刚击退后金军进攻，派景松和马有功，将他们从城上系下，疾驰山海关，报告经略高第战况。高第派人急驰奏报朝廷：“奴贼攻宁远，炮毙一大头目，用红布包裹，众贼抬去，放声大哭。分兵一枝，攻觉华岛，焚掠粮货。”
宁远之役，后金某重要人物为明炮弹击伤。各书记载略异，现在征引如下：
明天启年间购自澳门、葡萄牙制造的红夷大炮。
明蓟辽经略高第奏报：“奴贼攻宁远，炮毙一大头目，用红布包裹，众贼抬去。”
张岱在《石匮书后集》中记载：“炮过处，打死北骑无算，并及黄龙幕，伤一裨王。北骑谓出兵不利，以皮革裹尸，号哭奔去。”
朝鲜李星龄在《春坡堂日月录》中载述宁远之役，现抄录于后：“我国译官韩瑗，随使命入朝。适见崇焕，崇焕悦之，请借于使臣，带入其镇，瑗目见其战。军事节制，虽不可知，而军中甚静。崇焕与数三幕僚，相与闲谈而已。及贼报至，崇焕轿到敌楼，又与瑗等论古谈文，略无忧色。俄顷放一炮，声动天地，瑗怕不能举头。崇焕笑曰：‘贼至矣！’乃开窗，俯见贼兵，满野而进，城中了无人声。是夜，贼入外城，盖崇焕预空外城，以为诱入之地矣。贼因并力〔攻〕城，又放大炮，城上一时举火，明烛天地，矢石俱下。战方酣，自城中每于堞间，推出木柜子，甚大且长，半在堞内，半出城外，中实伏甲士，立于柜上，俯下矢石。如是层〔屡〕次，自城上投枯草油物及棉花，堞堞无数。须臾，地炮大发，自城外遍内外，土石俱扬，火光中见胡人，俱人马腾空，乱堕者无数，贼大挫而退。翌朝，见贼拥聚于大野一边，状若一叶。崇焕即送一使，备物谢曰：‘老将横行天下久矣，日见败于小子，岂其数耶！’奴儿哈赤先已重伤，及是具礼物及名马回谢，请借再战之期，因懑恚（mènhuì）而毙云。”
宁远之役，就总体而言，就战术而论，历史的结论是：努尔哈赤兵败宁远。明朝与后金的宁远之战，以明朝的胜利和后金的失败而结束。明朝由“宁远被围，举国汹汹”，到闻报宁远捷音，京师士庶，空巷相庆。宁远大捷是明朝从抚顺失陷以来的第一个大胜仗；是自“辽左铁佛郎机子铳发难，各城望风奔溃，八年来贼始一挫”的一个大胜仗；也是“遏十余万之强虏，振八九年之积颓”的一个大胜仗。明天启帝旨称：“此七八年来所绝无，深足为封疆吐气！”因之，宁远与宁远大捷，对于明朝有着特殊的地位与意义：宁远，为山海之藩篱，关京师之安危，系天下之存亡。与明相反，努尔哈赤原议师略宁远城，夺取山海关，不料败在袁崇焕手下。时袁崇焕43岁，初历战阵；努尔哈赤已68岁，久戎沙场。努尔哈赤在宁远遭到用兵44年来最严重的惨败。宁远之战明军获得大捷，兵部尚书王永光向皇帝盛赞袁崇焕的功绩言：
辽左发难，各城望风奔溃，八年来贼始一挫，乃知中国有人矣！盖缘道臣袁崇焕平日之恩威有以慑之维之也！不然，何宁远独无夺门之叛民、内应之奸细乎？本官智勇兼全，宜优其职级，一切关外事权，悉以委之。
宁远之战对于天命大汗、军事统帅努尔哈赤而言，最大的痛苦莫过于指挥失败。《清太祖武皇帝实录》记载努尔哈赤宁远之败时说：
帝自二十五岁征伐以来，战无不胜，攻无不克，惟宁远一城不下，遂大怀忿恨而回。
天命汗努尔哈赤虽在宁远城下失败，却将骑兵进攻的打击点，由宁远城移向觉华岛。觉华岛成为宁远之战的分战场。
第一，位置冲要。觉华岛悬于辽西海湾中，距岸18里，离宁远30里，居东西海陆中逵，扼辽西水陆两津。觉华岛早在唐代，已为开发，港口著名，其北边海港，称为靺鞨口，已为岛上要港，出入海岛咽喉。明朝军用粮料，储之海岛，觉华岛成为明军的一个囤积粮料的基地。孙承宗既经营宁远城之筑城与戍守，又经营觉华岛之囤粮与舟师。
第二，囤积粮料。芝麻湾（止锚湾）、笔架山、觉华岛为明军辽西海上囤积粮料的重要基地。明广宁失陷后，御守重在宁远城，粮储则重在觉华岛。觉华岛有一主岛和三小岛——今称磨盘岛、张山岛、阎山岛，共135平方公里，其中主岛125平方公里。主岛“呈两头宽，中间狭，不规则的葫芦状，孤悬海中”。这座囤粮城，依据踏勘，简述如下：“觉华岛明囤粮城，今存遗址，清晰可见。城呈矩形，南北长约500米，东西宽约250米，墙高约10米、底宽约6米。北墙设一门，通城外港口，是为粮料、器械运输之通道；南墙设二门，与‘龙脖’相通，便于岛上往来；东、西墙无门，利于防守。城中有粮囤、料堆及守城官兵营房遗迹，还有一条纵贯南北的排水沟。”
第三，设置水师。明朝于觉华岛，在广宁失陷前，“独金冠之水兵运艘在”。孙承宗出关前，即令龙、武两营，分哨觉华岛的防卫。不久以国宁督发水兵，在觉华岛守卫。明觉华岛的水师，仍由游击金冠统领。其作用：一是守卫岛上的粮料、器械；二是配合陆师进图恢复辽东失地；三是策应宁远之城守——正如文献记载：“以筑八里者筑宁远之要害，更以守八里之四万当宁远之冲，与觉华岛相犄角。而寇窥城，则岛上之兵，旁出三岔，烧其浮桥，而绕其后，以横击之。”
由上，觉华岛成为明辽军与后金军的必据必争之地。觉华岛激战的爆发，是在天命汗努尔哈赤兵败宁远之后，而衍化成的一场残酷的争战。
努尔哈赤一向刚毅自恃，屡战屡胜，难以忍受宁远兵折之耻，誓以洗雪宁远兵败之辱。他决心以攻泄忿，以焚消恨，以胜掩败，以戮震威。
正月二十五日夜，后金一面派军队彻夜攻城，一面将主力转移到城西南五里龙宫寺一带扎营《满洲实录·武讷格败觉华岛兵》。其目的：一则是龙宫寺距觉华岛最近，便于登岛；二则是龙宫寺囤储粮料，佯装劫粮。此计确实迷惑了明军，高第塘报可以为证：“今奴贼见在西南上离城五里龙官（宫）寺一带扎营，约有五万余骑。……讫近岛海岸，冰俱凿开，达贼不能过海。”
时值隆冬，海面冰封，从岸边履冰，可直达岛上。姚抚民等守军，为加强防御，沿岛凿开一道长达15里的冰濠，以阻挡后金骑兵的突入。然而，天气严寒，冰濠凿开，穿而复合。姚抚民等率领官兵，“日夜穿冰，兵皆堕指”。
二十六日，后金一面派少部分兵力继续攻打宁远城；一面命大部分骑兵突然进攻觉华岛。后金军由骁将武讷格率领蒙古骑兵及满洲骑兵，约数万人，由冰上驰攻觉华岛。明军凿冰15里为濠，列阵以车楯卫之。辰时，武讷格统领的后金骑兵，分列12队，武纳格居中，扑向位于岛“龙头”上的囤粮城。岛上明军，“凿冰寒苦，既无盔甲、兵械，又系水手，不能耐战，且以寡不敌众”；不料大雪纷飞，冰濠重新冻合。后金骑兵，履冰驰进，从靺鞨口登岸，攻入囤粮城北门，猛烈厮杀，冲进城中。后金骑兵驰突乱斫（zhuó），岛上水兵阵脚遂乱。后金军火焚城中囤积粮料，浓烟蔽岛，火光冲天。旋即转攻东山，万骑驰冲；巳时，并攻西山，一路涌杀。后金军的驰突攻杀，受到明守岛官兵的拼死抵抗：“且岛中诸将，金冠先死，而姚与贤等皆力战而死。视前此奔溃逃窜之夫，尚有生气。金冠之子，会武举金士麒，以迎父丧出关。闻警赴岛，遣其弟奉木主以西，而率义男三百余人力战，三百人无生者。其忠孝全矣！”
觉华岛争战的结局是明军覆没而后金军全胜。此战，明军损失惨重。经略高第塘报：觉华岛“四营尽溃，都司王锡斧、季士登、吴国勋、姚与贤，艟总王朝臣、张士奇、吴惟进及前、左、后营艟百总俱已阵亡”。总督王之臣查报：“觉华兵将俱死以殉。粮料八万二千余及营房、民舍俱被焚。”同知程维楧报：“虏骑既至，逢人立碎，可怜七八千之将卒，七八千之商民，无一不颠越靡烂者。王鳌，新到之将，骨碎身分；金冠，既死之榇，俱经剖割。囤积粮料，实已尽焚。”《清太祖高皇帝实录》载：“我军夺濠口入，击之，遂败其兵，尽斩之。又有二营兵，立岛中山巅。我军冲入，败其兵，亦尽歼之。焚其船二千余；并所积粮刍，高与屋等者千余所。”总之，觉华岛上明军7000余名和商民7000余丁口都被后金军杀戮；粮料8万余石和船2000余艘都被后金军焚烧；主岛作为明朝关外的后勤基地也被后金军摧毁。同时，后金军也付出代价，明统计其死亡官兵为269名。袁崇焕作了《祭觉华岛阵亡兵将文》，文曰：
慨自战守乖方，屡失疆土。天子赫然震怒，调南北水陆舟师。谓尔乘船如马，遂调之来，为进取也。据尔等间关远至，岂不欲灭此朝食，一帆而金、复归，再帆而黄龙扫哉！奈未尽其用而敌即来。冱（hù）寒之月，冰结舟胶。窘尔之所长，乌得不及于难。说者谓谋之不臧，不臧固不臧矣，然排山倒海之势，以十八万而临数千之水卒，即臧可奈何？而尔等计无复之，愤然以死，略无芥蒂。视当年之弃曳倒奔者加一等也。人之罪，至死而免；人之品，至死而定。今将略尔罪而嘉乃忠。请命于天子，谅为之恤，所以不没汝等者，良有在也。
吁嗟！巨浪茫茫，空山寂寂，皆汝等忠灵之所洒荡也。望故乡以何日，即转劫而无期，苒苒游魂，何不相结为厉，歼仇泄愤？在生之志，藉死以伸，则虽死之日，犹生之年也。尔其勉之！不腆之奠，涕与俱之。尚飨！
上述祭文，声泪俱下，感动天地，激愤人心。“苒苒游魂，何不相结为厉，歼仇泄愤？在生之志，藉死以伸，则虽死之日，犹生之年也”。生死同忾，虽死犹生，歼灭仇敌，伸报积愤！
明朝与后金的宁远之战，明军在主战场——宁远城获胜，而在分战场——觉华岛失利，但总的说来胜利是主要的，所以明朝称这场胜仗为“宁远大捷”。
宁远之战，明朝之所以大捷，后金之所以大败，其原因诸多方面而又错综复杂。
在政治方面，后金进攻宁远的战争，已由统一女真各部、反抗民族压迫的正义战争，变成为掠夺土地人民、争夺统治权力的不义战争，因而遭到辽东汉民的强烈反对。尤其是努尔哈赤对辽沈地区汉民的错误政策，引起后金与明朝两方面辖区汉民的不满和恐惧，从而促使宁远军民拚死抵御后金军的进犯。人心向背是袁崇焕获胜与努尔哈赤失败的一个基本因素。
在军事方面，三年之间，后金兵没有大的野战，额真怠惰，兵无斗志，器械不利；忙于整顿内务，未作军事准备。明朝袁崇焕却在积极备战，修筑坚城，整械备炮，训练士马——组成关宁防线。后金打了一场最为兵家所忌的无准备之仗。
在策略方面，以往后金向明进行攻坚战，在坚城深堑之前，炮火矢石之下，多以诱敌出城、铁骑驰突，或以智取力攻、里应外合而获胜。明军于沈阳和辽阳两城的失陷，都是犯了上述两个同样的错误。这次袁崇焕坚壁清野、撄城固守，又“纵街民、搜奸细”。在宁远城里，“无夺门之叛民，内应之奸细”。努尔哈赤以劳赴逸，以主为客，以骑攻城，以箭制炮，引诱而明军不出城，派谍而城中不内应。后金军以短击长，终至败北。
在思想方面，后金军居于优势，努尔哈赤却思想僵化，骄傲轻敌；明军处于劣势，袁崇焕却群策群力，小心谨慎。后金刘学成在奏陈中分析道：“汗自取广宁以来，马步之兵，三年未战，主将怠惰，军无战心，车梯、藤牌朽坏，器械不利。汗视取宁远甚易，故天使汗劳苦。”努尔哈赤犯了骄帅必败的错误。明军则正如天启皇帝谕旨所言：“袁崇焕血书誓众，将士协心，运筹师中，调度有法，满桂等捍卫孤城，矢心奋勇”，故能“首挫凶锋”。明军官兵同心，上下一致，众志成城，夺得胜利。
在指挥方面，天命汗在宁远的对手已然不是庸拙无能的统帅杨镐，也不是纸上谈兵的经略袁应泰，更不是浪言求宠的巡抚王化贞，而是杰出的将领袁崇焕。袁崇焕在宁远之役中，“委任专，事权一”。但这不是经略高第委任的，而是袁崇焕拚死争得的。在宁远之战中，袁崇焕撄城固守，凭城用炮，调度得体，指挥有方，确实胜过老谋深算的后金军统帅努尔哈赤一筹。
在武器方面，明军已然使用最新式的武器——红夷大炮，而八旗兵照旧袭用弓箭刀戈。后金兵的进攻，被袁崇焕凭坚城、用洋炮所击败。在两军争战中，人的因素固然重要，武器的因素也很重要。在一定条件下，武器成为两军决战胜负的关键因素。袁崇焕说：“虏利野战，惟有凭坚城以用大炮一著。”宁远获捷，使红夷火炮声名大噪。明廷封一门红夷大炮为红夷大炮“安国全军平辽靖虏大将军”。
当然，上述诸因素中任何孤立的一项，不是后金宁远之败的必然因素。天命汗努尔哈赤的悲剧在于，他对上述条件的整合及其变化，尤其是对明军的指挥与武器这两个重要因素的变化，没有起码的认识，结果以己之短击彼之长，铸下了历史性的错误。
可以说，明军之所以获得宁远大捷，以上六项因素，都是相当重要，但最关键的因素有两条——指挥正确与武器先进。这个先进武器就是红夷大炮。
红夷大炮是中国军事史上出现的最新武器，也是明军装备中的最新因素。明军首次在宁远之战中使用红夷大炮，并获得成功。明军宁远之战的胜利，是袁崇焕凭坚城、用洋炮的胜利。这里有两个因素：一是用红夷大炮，二是使城炮结合。通过宁远之战，袁崇焕认识到红夷大炮的重要价值。他说：“辽左之坏，虽人心不固，亦缘失有形之险，无以固人心。兵不利野战，祗有凭坚城用大炮一策。”他从抚顺、清河、开原、铁岭、沈阳、辽阳、西平、广宁诸城失陷中认识到：旷野厮杀，明军所短；凭城用炮，明军所长。所以，“凭坚城、用大炮”是明军以长击短、克敌制胜的法宝。应当说，徐光启、孙元化等人提出“以城护炮、以炮卫城”的战术思想，而袁崇焕将这一战术思想应用于作战实践，并取得完全的成功。由是袁崇焕形成“凭坚城、用大炮”的守城战术。
相反，天命汗努尔哈赤的悲剧在于，根本没有认识到宁远运用新式武器红夷大炮，也没有认识到袁崇焕“凭坚城、用大炮”的守城战术。后金军队毫无顾忌，蜂拥攻城，遭到城上红夷大炮轰击，死伤惨重。后金在军事上犯了以己之短、攻彼之长的错误。后金军的长处是平原野战，铁骑驰突，弓马取胜。朝鲜人李民寏（wán）在《建州闻见录》中论述道：后金“铁骑奔驰，冲突蹂躏，无不溃败”。这个论述抓住了后金战术的要害。然而，努尔哈赤没有认识到明军战术武器和战术思想的重大变化，继续使用旧的武器和旧的战术。出乎天命汗努尔哈赤意料之外，铁骑冲到城下，遇上红夷大炮，遭到轰击，溃败而退。明兵坚守城池，施用大炮，改变了守城战术，以对付后金骑兵。努尔哈赤却没有看到这个新的变化，仍用旧的武器、旧的战术，进攻宁远，吃了大亏，兵败城下，死伤惨重。
宁远大捷具有重大的意义，在政治上对官心、军心与民心有非常巨大的振奋作用，打破后金军不可战胜的“神话”。在军事上使刚建立的关宁防线初步经受住了考验。它证明明军坚守城池，使用大炮，城炮结合，依靠坚城屏障，发挥洋炮威力，是阻止后金军强大攻势的有效手段。明朝方面所使用的武器与战术的改变，已经带有近代战争的特点，它反映了军事技术和战术的新的进步。
总之，袁崇焕取得宁远大捷的主要原因是两句话、八个字：指挥正确，武器先进。袁崇焕运用正确指挥和先进武器这两大法宝，后又夺取了宁锦大捷。
当年三月初九日，明廷升袁崇焕为右佥都御史，巡抚辽东、山海等处，简称辽东巡抚；并铸巡抚辽东、山海等处提督军务官防。四月初五日，辽东巡抚袁崇焕上《谢守城有功赏赐疏》。
袁崇焕虽取得宁远大捷，但还要进行迎接新挑战的准备。一场宁锦大战，又在酝酿之中。