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明天启六年、后金天命十一年（1626年）正月十四日努尔哈赤率大军兵临宁远城下。
袁崇焕临危不惧，召集诸将议战守，决定采取坚壁清野之策，组织全城军民共同守城。他在众将士面前刺血为书，誓与宁远共存亡，兵民为之感奋。袁崇焕旋以总兵满桂、副将左辅、参将祖大寿、副将朱梅分守城东、西、南、北四面，自与满桂提督全城。在城上配置西洋大炮十一门。又遣罗立、孙元化等人训练炮手。东、北两面及西、南两面，分由彭簪古、罗立指挥。动员城厢商民入城，尽焚城外房舍、积刍，让后金军露处严寒野外。
努尔哈赤率部众攻城，将到城下，但听城楼上一声鼓角，竖起一面大旗，旗中绣着一个大大的袁字，旗下立一员大将，金盔耀目，铁甲生光，面目间隐隐露着杀气，努尔哈赤见了此人，却暗暗称赞。
努尔哈赤旁有一贝勒呼道：“你是守城的主将么？”
城上大将答道：“（我乃东莞仔袁承志，这是玩笑话），我是东莞人袁崇焕，现任殿前参政，为国守城，不畏强敌。”
贝勒道：“关外各城，已成平地，只有区区宁远，焉能守乎？我劝你不如献了城池，降我后金，倒不失高官厚禄，否则大军围攻，踏平宁远。请你三思！”
崇焕厉声道：“尔后金屡次兴兵侵我边界，无理已甚，吾奉天子命，来治此土，誓死守城，怎肯降你鞑子？”
说毕，炮声一响，箭石雨下。努尔哈赤急率军队，一齐回寨。众贝勒请就此进攻，太祖道：“我看这袁蛮子，不是好惹的，我等且休养一天，来日誓拔此城。”
努尔哈赤自万历四十六年、后金天命三年（1618年）檄文讨明以来，明朝能打的将领他都打了，杨镐、刘铤、杜松、王化贞、袁应泰，全都是手下败将，无一例外。在他看来，袁崇焕的下场估计也差不多，但是他错了，并永远失去了翻盘的机会。
是夕，袁崇焕与总兵满桂，会集军士，泣血立誓。军士见主将如此忠诚，莫不感愤。崇焕即与满桂分陴固守，坐待天明。鸡声初唱，东方渐白，遥听敌营中吹起号角，料知敌军将来攻城，越发抖擞精神，指麾军士。
正月二十四日晨，努尔哈赤发动攻城，命后金军推楯车、运钩梯，步骑蜂拥攻城西南角，万矢齐射城上，城堞箭镞如雨注，悬牌似猬刺。城上的矢石，也如飞蝗般射去，后金军前队，伤亡惨重，后军复一拥而上，又受一阵矢石，伤亡无数，只是抵死不退。
左辅率军民依托坚城，亦死战不退；祖大寿率军应援，铳炮齐发，药罐、雷石齐下，后金军死伤累累。努尔哈赤命移兵攻城南，以楯车作掩护，在城门角两台间守御薄弱处凿开两丈见方的大洞四处，宁远城危如累卵。
袁崇焕在紧急关头，亲自担土搬石，堵塞缺口，血染战袍，仍镇定自若，督率军民缚柴浇油并掺火药，用铁索垂至城下燃烧；又选健丁五十名缒城，用棉花火药等物将抵近城下的后金战车尽行烧毁，袁崇焕又命发动大炮。
西洋大炮运至宁远之初，被放置在城外的壕沟以外。但袁崇焕放弃了在城外结寨、与城池互为犄角的阵势，而将宁远所辖中左所、右屯等所有兵马，连同城外的西洋大炮、各种守城器械和百姓一并撤回到城内，城外房屋付之一炬。重修的宁远城城墙四角各有一个方形敌台，三面伸出城外，一面和城池相连，当时中国最先进的红衣大炮便放置在敌台的特制炮车之上。火炮调转，火力可覆盖城墙外270度的范围；相邻城墙角敌台之间的大炮还可相对射击城下的敌军，一定程度上填补了后金军动手凿城的火炮死角。
闻崇焕命，随即燃炮，轰然一声，炮弹立发，把后金前队的兵士，弹向空中，随弹飞舞。霎时间烟雾蔽天，血肉遍地，战至深夜，后金军攻城不破，于是收兵。
正月二十五日，努尔哈赤继续指挥攻城，从早晨至晚上，双方激战一天。明军于城上施放炮火，杀伤大量后金骑兵。后金军畏惧炮火，不敢近城，其将领持刀驱兵，仅至城下而返，抢走尸体，运至城西门外砖窑焚化。努尔哈赤无奈，下令退至离城五里之九龙宫扎营。
正月二十六日，后金军继续围城，精于骑射的八旗将士，却被阻于深沟高垒之前，矢石炮火之下，难以发挥骑战特长，伤亡甚重，被迫撤军。
众贝勒经此厉害，不愿再攻，各劝太祖返驾，再图后举。努尔哈赤也见攻宁远不下，决定突袭觉华岛。
时值隆冬，海面冰封，无险可守，明将姚抚民等率领官兵凿开一道长达15里的冰濠，正月二十六日武讷格以骑兵进攻觉华岛，明军由于“凿冰寒苦，既无盔甲、兵械，不能耐战，且寡不敌众”，最后全员战死，金兵焚烧城中囤积粮料。当时守将金冠刚死，其子金士麒与事丁800人至觉华岛与后金军作战，亦全部被杀。岛上军民1.4万余口都被后金军杀戮，粮草8万余石和船2000余艘都被焚烧，这座明朝关外的后勤基地也被后金军摧毁。
此时袁崇焕43岁，初历战阵；努尔哈赤已68岁，伤病满身。努尔哈赤在宁远遭到用兵44年来最严重的惨败。宁远之战暂时扭转了明朝屡战屡败的局面，明廷虽言大捷，但后金部队并未造成太大伤亡，反倒明军镇守的觉华岛三万军民于二十六日全部阵亡。宁远大捷后，袁崇焕并没有乘胜追击，而是遣王喇嘛入金帐请求议和。后升任辽东巡抚，加紧构筑关宁锦防线。
此时毛文龙出兵袭击后金后方永宁，努尔哈赤率兵回军，二月九日返回到沈阳。努尔哈赤不禁叹息道：“我自二十五岁起兵，战无不胜，攻无不取，不料今日攻一小小宁远城，遇着这袁蛮子，偏吃了一场大亏，可恨可恼！”众贝勒虽百般劝慰，无奈努尔哈赤太好胜，终自纳闷。古语道“忧劳所以致疾。”努尔哈赤又是六十多岁的老人，益发耐不起忧劳，因此遂恹恹成病。
天命十一年（1626年）七月中旬，努尔哈赤身患毒疽，七月二十三日前往清河汤泉疗养，八月初，病势转危，遂决定乘船顺太子河返回沈阳，八月十一日，乘船顺太子河而下，病死于叆福陵隆恩门鸡堡（今沈阳市于洪区翟家乡大挨金堡村），终年68岁。努尔哈赤葬于沈阳福陵（今沈阳东陵），庙号“太祖”，一代雄主，竟尔长逝。