皇太极从朝鲜退兵后，率兵直抵锦州，将其包围，赵率教与纪用一方面闭城坚守，一方面派遣使者议和，想以此拖延时间等待援军，使者跑了三个来回仍旧没有决定，而后金军的攻势越来越猛。袁崇焕以宁远的兵力不能轻易调动，于是让尤世禄、祖大寿率领精锐骑兵四千绕到大军后面决战，另派遣水军从东面进行牵制，并请求蓟镇等地发兵东护关门。明廷命山海关的满桂移驻前屯，三屯孙祖寿移往山海关，宣府黑云龙移往一片石，蓟辽总督阎鸣泰移到关城，又调动昌平、天津、保定的部队奔赴上关；传檄山西、河南、山东等地的守将整备好兵马听候调遣。
尤世禄刚要整备出发，后金军又分兵来攻宁远，袁崇焕与刘应坤、毕自肃率将士登上城楼防守，在濠沟内排列阵营，用炮远距离轰击。而满桂、尤世禄、祖大寿在城外与后金军搏战，死伤比较多，满桂也中箭负伤。后金军从宁远撤退后增加锦州的攻势，但仍旧无法攻克，而且伤亡惨重，后金军撤兵，史称“宁锦大捷”，而后金军撤兵时顺道毁坏大小凌河二城。
宁锦之战后，满桂、赵率教等人都得到了应有的赏赐，但袁崇焕却因为魏忠贤让他的党羽弹劾袁崇焕不救援锦州，论功行赏时，只给袁崇焕增加一级官阶。尚书霍维华为此感到不平，上疏乞求辞去荫袭子孙的赏赐，但魏忠贤不许，袁崇焕辞官回乡，明廷以王之臣接替袁崇焕为督师兼任辽东巡抚，驻扎宁远。
明熹宗驾崩，明思宗朱由检即位，设计将魏忠贤除去，并把之前冒领军功的人削职。在朝中大臣的建议下，袁崇焕得以重新被启用，被任命为兵部尚书兼任右副都御史，督师蓟辽、兼督登莱、天津军务。袁崇焕返回京城，上疏陈述兵事，朱由检于平台召见袁崇焕，袁崇焕声称自己可以五年复辽，朱由检对此大加赞赏。给事中许誉卿问袁崇焕复辽的策略，袁崇焕却说是用这种话安慰皇上。许誉卿说：“皇上英明，怎麽可以随便应对。他日按照期限追求成效，你该怎麽办？”袁崇焕也觉得自己失言了，于是上奏说：“五年复辽的计划不容易完成，陛下既然委托给臣，臣怎麽敢推辞这艰难的任务。但是五年内，户部转运军饷，工部供应器械，吏部用人，兵部调兵选将，必须朝廷内外事事配合，才能有所成功。”朱由检于是让四部的臣按照袁崇焕的话办。
袁崇焕害怕自己去往边关以后，朝廷中难免有人会再次诽谤自己，于是将此事告诉朱由检，朱由检在大学士刘鸿训等人的建议下，收回王之臣、满桂的尚方宝剑，将其赐给袁崇焕。鉴于此前熊廷弼、孙承宗都因为受到排挤陷害，使自己的意愿难以舒展，袁崇焕于是又上书说：“恢复辽地的计策，不外乎臣往年所提出的以辽人守辽土，以辽土养辽人，防守是正规的策略，攻战是变通的策略，和议是辅助策略的说法。执法在循序渐进而不在突变猛进，在追求实效而不在贪图虚名。这是臣与诸边防官员所能做到的。至于选择用人的人，与被人用的人，都是皇上掌握其中的关键。怎麽才能用人而不三心二意，相信而不怀疑？因为驾驭边防大臣与朝廷大臣不同，军中可惊可疑的事特别多，只应当谈论成败的大局，不必摘取一言一行的细小过失。事情的责任既然重大，招致怨恨实在多。各种有利於边疆的事情，都是不利於自身的。况且谋取敌人急，敌人亦从而离间，因此作边疆的大臣很难。陛下爱护臣了解臣，臣何必过於疑虑惧怕，但心中有所危惧，不敢不告诉。”朱由检发优诏答覆袁崇焕，并赏赐蟒袍玉带、银币，但袁崇焕上疏推不接受辞蟒袍玉带。
驻守宁远的来自于川、湖等地的士兵因为军饷的事而哗变，袁崇焕用计将其平定，而后袁崇焕请求将宁远、锦州合为一镇，让祖大寿镇守锦州，何可刚替代朱梅驻宁远，赵率教守关门，袁崇焕自驻宁远，同时上书给朱由检极力称赞祖大寿等三人的才能，并说自己五年复辽的计划全靠这三人来实现，如果五年后没有实现，他将亲手将这三人斩杀，自己到司法部门领罪服死，朱由检加封袁崇焕为太子太保，并赐给蟒衣银币，
袁崇焕以东江毛文龙虽然能牵制后金军，但毛文龙耗费的钱粮实在太大，袁崇焕上书请求让朝廷派人来管理毛文龙部的军饷，毛文龙不喜欢有文官监制着自己，于是上书争辩。而后毛文龙前来拜谒袁崇焕，袁崇焕以上宾之礼接待毛文龙，毛文龙也不谦让，袁崇焕于是决定杀掉毛文龙。袁崇焕以阅兵为由去见毛文龙，毛文龙设宴与袁崇焕喝酒，俩人常常喝到半夜，毛文龙没有觉察到袁崇焕的来意。袁崇焕提议更改军营制度，设置监察官员，毛文龙对此建议感到不高兴，袁崇焕用回乡来打动他，毛文龙说：“我向来有这个意思，但只有我知晓辽东的事务，辽东的事情解决后，朝鲜衰弱，可以袭击占有。”袁崇焕对毛文龙的回答感到不高兴。
而后袁崇焕邀请毛文龙观看将士射箭，预先在山上设置好帐篷，令参将谢尚政等率兵埋伏在帐外。毛文龙到了之后，他的部下没能入内。袁崇焕说：“我早晨就走，你担当海外的重托，请受我一拜。”毛文龙回拜之后俩人开始登山。路上袁崇焕问随从官员的姓名，大多都是姓毛的。毛文龙说：“这些都是我的孙子。”袁崇焕笑着说：“你们在海外长久劳累，每月禄米只有一斛，说来痛心，也受我一拜，请为国家尽力。”众人都叩头道谢。
袁崇焕接着说几件毛文龙违法做的事，毛文龙与其争辩，袁崇焕厉声斥责毛文龙，下令将毛文龙的冠服去除并捆绑起来，毛文龙表示不服，袁崇焕于是列数毛文龙的十二条罪状，拿出尚方宝剑，将毛文龙斩杀。袁崇焕杀了毛文龙之后，害怕他的部下叛变，于是增加他们的饷银，但是岛上的人没有主帅，人心背离，难以使用，而后会导致叛离。袁崇焕上书给明廷：“东江镇是牵制敌人所必须依托的。现确定两协的编制，马军十营，步军五营，每年饷银四十二万，米十三万六千。”皇帝朱由检对兵员减少军饷却增加的事情感到疑虑，但是一看是袁崇焕奏请的，也就答应了他。
后金主皇太极举兵数十万分别进入龙井关、大安口，袁崇焕听闻后率领祖大寿、何可刚入关守卫，所经过的蓟州、抚宁、永平、迁安、丰润、玉田各城，都分兵留守。皇帝朱由检得知后非常高兴，下令嘉奖袁崇焕的部下，并让袁崇焕统领指挥各地援军。
但不久之后，遵化、三屯营都被后金军攻破，赵率教也在遵化战役中中流矢阵亡，巡抚王元雅、总兵朱国彦自尽而死。后金军越过蓟州往西，直逼京城，袁崇焕忙率兵护卫京师。朱由检召见袁崇焕，赏赐御用酒菜及貂裘慰劳袁崇焕，袁崇焕以兵马长途奔波，疲惫不已，请求入城休整，但遭到拒绝。于是袁崇焕驻军城外，与后金军鏖战，互有胜负。袁崇焕令戴承恩在广渠门列阵，祖大寿于南面列阵，王承胤在西北列阵，袁崇焕在西面列阵以备战，中午时刻，后金骑兵从东南面进攻，祖大寿率兵奋力接战，而王承胤却拔阵向南避战。后金军力战祖大寿不下，于是撤退，明将刘应国、罗景荣等人率兵进行追击，杀伤后金军千余人，而明军死伤也很多。收兵后，朱由检用酒食犒赏军队，袁崇焕又派遣任守忠率领五百人用火炮轰打金营，后金军撤退，京都之围遂解。
后金军退兵后，袁崇焕却被治罪，当初后金军进入的关口是属于蓟辽总理刘策所管辖，而袁崇焕得知后金军入关，直逼京城，于是千里迢迢赶来救援，自认为有功无罪，但是朝中大臣却有很多人认为是袁崇焕放清兵入关，于是纷纷诽谤袁崇焕与后金军有勾结，朱由检对此也很怀疑。此时后金军也设计离间，说袁崇焕与后金军有秘密约定，朱由检将袁崇焕下狱。
魏忠贤遗党王永光、高捷、袁弘勋、史褷等人想趁机给魏忠贤报仇，以擅自与后金军议和、擅杀毛文龙两条罪名定袁崇焕死罪，并意图一并杀死钱龙锡。袁崇焕被凌迟处死，家人被流徙三千里，并抄没家产，实则家无余财。