高第上任后，认为关外必不可守，力主尽撤宁锦之兵于山海关。
督屯通判金启倧上书曰“锦、右、大凌三城皆前锋要地。倘收兵退，既安之民庶复播迁，已得之封疆再沦没，关内外堪几次退守耶！”袁崇焕亦力争不可，其言：“兵法有进无退。三城已复，安可轻撤？锦、右动摇，则宁、前震惊，关门亦失保障。今但择良将守之，必无他虑。”（《三朝辽事实录》卷十五）。
高第凭藉御“赐尚方剑、坐蟒、玉带”的势焰，又有阉党作后台，不但执意要撤锦州、右屯、大凌河三城，而且传檄撤宁（远）前（屯）路防备。
宁前道袁崇焕决心身卧宁远，保卫孤城，他斩钉截铁地表示：“宁前道当与宁、前为存亡！如撤宁、前兵，宁前道必不入，独卧孤城，以当虏耳！”
高第无可奈何，只撤锦州、右屯、大凌河及松山、杏山、塔山守具，尽驱屯兵、屯民入关，抛弃粮谷10余万石。这次不战而退，闹得军心不振，民怨沸腾，背乡离井，死亡塞路，哭声震野。
天启六年（1626年）正月十四日，后金兵渡辽河。右屯守将周守廉逃，松山等处守将左辅亦烧毁粮储庐舍而退。（《东华全录》）。警报驰传明朝，举国汹汹，人心惶惶。兵部尚书王永光“集廷臣议战守，无善策”。明经略高第和总兵杨麒，闻警丧胆，计无所出，龟缩山海关，拥兵不救。在此紧急关头，宁远城“关门援兵，并无一至”。袁崇焕既后无援军，又前临强敌：八旗军连陷右屯、大凌河、锦州、小凌河、松山、杏山、塔山、连山等八座城堡。原驻守军都早已撤到关内，后金兵如入无人之境，未遇抵抗，直奔宁远。
袁崇焕驻守孤城宁远，城中士卒不满2万人。但城中兵民，“死中求生，必生无死”，誓与城共存亡。他面临紧急态势，上奏疏，表决心：“本道身在前冲，奋其智力，自料可以当奴。”与总兵满桂，参将祖大寿，守备何可纲，集将士誓守宁远。令中左所都司陈兆阑和都司徐敷奏率兵入城，左辅朱梅为外援。（《三朝辽事实录》）。又传令通知前屯赵率教，山海关杨麟有宁远之溃兵皆斩。
二十三日，努尔哈赤率后金军至宁远，努尔哈赤自称率军三十万，必破此城，令袁崇焕投降。
袁崇焕答曰：“来兵称三十万虚也，约有十三万。吾修治宁远决守以死岂肯降耳”（《东华录》）。
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。
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。明军用矢石、铁铳和西洋大炮下击。后金兵顶着炮火，挖凿城墙，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、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。”
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。岛上参将金冠等七千水兵抗击殉国，七千商民被屠杀。后金焚毁觉华岛粮料八万石，船两千只。
袁崇焕击退后金军进攻后，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。”
《明熹宗实录》（天启六年四月辛丑）记载：“登莱巡抚李嵩疏言：“天启六年四月十五日，准平辽总兵官毛文龙揭回乡张有库等口称：‘新年老汗于二十四日在宁远等处攻城，不料着伤。’”。
张岱《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。”
《明季北略》记载：“自辰至晡，杀三千人，敌少却。二十五日佟养性督阵攻西门，势更悍，先登，益众。敌俱冒死力攻，城中卫之如前，击杀更倍于昨”
《徐光启集》（卷四《练兵疏稿二》）记载：“是役也，奴贼糜烂失亡者实计一万七千余人。而大炮以封，今所称‘安边靖虏镇国大将军’者，职所首取四位中之第二位也。”
瞿式耜《瞿忠宣公集》（卷二《请求火器疏》）记载：“天启六年正月宁远守城，歼贼一万七千余人，后奉敕为安边靖虏镇国大将军，此正西洋所进四位中之第二位也。”
朝鲜李星龄在《春坡堂日月录》中载述宁远之役：“奴儿哈赤先已重伤，及是具礼物及名马回谢，请借再战之期，因懑恚而毙云。”
努尔哈赤自称“自二十五岁起兵以来，征讨诸处，战无不捷，攻无不可，惟宁远一城不下”（《清高祖实录》）。遭到用兵44年来最严重的惨败。
宁远之战，是明朝从抚顺失陷、“辽左发难，各城望风奔溃，八年来贼始一挫”以来的第一个大胜仗，明人称之为“宁远大捷”。宁远，为山海之藩篱，关京师之安危，系天下之存亡，宁远与宁远大捷，对于明朝有着特殊的地位与意义。宁远战前，形势对袁崇焕极为不利。袁崇焕是在后金兵锋强盛、宁远孤城无援的态势下，取得“宁远大捷”的。
明天启帝旨称：“此七八年来所绝无，深足为封疆吐气！”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。”
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》。
