三月十八日，努尔哈赤再率领大军进发，在辽阳城外扎营。
三月十九日，努尔哈赤率领大军进攻辽阳。辽阳城中分为两派，一派主张出战，一派主张坚守。总指挥袁应泰决定出城列阵迎敌，亲率侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、朱万良等总兵各率领本部人马出城野战，让巡按张铨守城。
这一天，双方在野外对战各有胜负，先是努尔哈赤的黄旗军被击退，后来皇太极领白旗军击退辽阳守军。双方战至晚上，各自收兵。努尔哈赤大军在辽阳城东驻营。
三月二十日，努尔哈赤开始意图引河水灌城。但在城头火炮的轰击下，八旗军无功而返。努尔哈赤下令，兵分两路，全力攻城。努尔哈赤领右翼四旗军攻东门，莽古尔泰、阿敏、达尔汉领左翼四旗军攻西城门。
袁应泰命守军出东门，在城下列阵，与努尔哈赤争夺东门桥的控制权。但不敌大金右翼部队，只好退守城内。努尔哈赤击退出城之兵后，令右翼四旗兵开始一边坚梯登城，一边掘墙。但辽阳城头火力很猛，而且城墙十分坚厚，大金右翼部队久攻不下，损伤不少。
正当这时候，局面发生了巨大转变，莽古尔泰、阿敏的左翼军抓住了战机。在西城门的攻守战中，紧挨西门的火药库不知道是什么原因突然起火，烟雾缭绕，接着引起连环爆炸，到处可见华丽的高楼燃起熊熊烈火，西门城墙被炸毁一处。
“尽锐环攻发炮，与城中炮声相续，火药发川，兵多死。薄暮，丽谯火。”这是辽东第二次大爆炸事件。
混乱之中，大金左翼部队抢攻，纷纷登上城头。西门防线岌岌可危。得到消息的努尔哈赤大喜，令大金右翼四旗从东门撤退，集中全部兵力，转攻西城门。
一时间，辽阳西城上的云梯密密麻麻。终于，西门被大金部队控制。八旗军攻入城内。袁应泰、张铨组织辽阳守军在城内继续展开巷战。
双方一直激战至深夜。这种长时间的战斗，拼到最后比的是双方的士气和韧劲。最后，大夏辽阳守军士气先崩了，士兵们陆续逃出城外。
三月二十一日凌晨，努尔哈赤整顿队伍，发起最后一击。辽阳守军溃不成军，士气彻底崩盘，争先逃出城外。形势急转直下，一发不可收拾，再也不能组织起有效的战斗。
袁应泰见大势已去，面色苍白，知道辽事已坏，对张铨说道：“守护辽地不是你职责，监军你抓紧时间出城吧。”
张铨不听，依然试图组织残部，做最后的挣扎，最后被俘。绝望的袁应泰在衙门里写下最后一道奏章。
“臣至辽，见人心不固，不可以守。是以死辽葬辽之誓，今果陷，臣力竭而死，望皇上收拾人心，为恢复计。”
写完，袁应泰向京城方向拜了拜，遵循昔日誓言，自杀殉国。
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