早在同年九月，袁崇焕即得到后金将要渡辽河西犯的情报，他曾派部将谢尚政领兵一支援蓟，却被蓟州巡抚以消息不确为由遣其回师。十月二十九日，袁崇焕正在宁远与山海关之间的中后所，听到金兵越关、宁而攻入的消息，心胆俱裂。他立即命山海关总兵赵率教领骑兵4000急速增援遵化，赵率教行军三昼夜，走了350里，抵达三屯营，被总兵朱国彦所阻，不能入营。赵率教只得策马向西，路上同后金督粮兵相遇，赵率教挥师进击，把后金兵打败，并杀掉金将卓尔纠。十一月初，赵率教在遵化战役中不幸中流矢阵亡。遵化城因为守将布置失当，随即失陷，三屯营也被后金攻破。
袁崇焕在赵率教出发后，立即调动马步兵两万人，于十一月初四日亲率领锦州总兵祖大寿、中军何可刚等继续入关增援。沿途经过抚宁、永平、迁安、丰润、玉田等地，都留兵驻守，目的是便于将来堵截金军退路。袁军六日疾行500里，在十一月初十先敌抵达蓟州。不料遵化已于初三日陷落，巡抚王元雅自刭，赵率教殉国。
思宗听说袁崇焕率兵来援，很是高兴，下旨嘉奖，拨款慰劳将士，并令袁崇焕统率诸路援军。
这时，昌平总兵尤世威驻军密云；大同总兵满桂驻军顺义；宣镇总兵侯世禄先驻军三河，后移驻通州。
袁崇焕令尤世威仍回昌平保护皇陵；令侯世禄仍回三河，为蓟州后应；令满桂到北京去守卫国都；却由自己的部队独挡大敌。袁崇焕这样部署的原因是：看到这几路军队，既缺乏训练，装备又差，把他们分开来还可以壮壮声势，互相接应；合在一起，则一军战败，也势必影响其他各军的士气。这样安排原有其不得已的苦心。不料后来，却被人误解为“遣散援军”、“纵敌不战”，因而，引起了思宗的怀疑。
十一日后金自遵化向京师进发。十二日，袁崇焕所率辽军与后金前哨遭遇于离蓟20里之马落桥，一战挫之，颇有斩获。袁崇焕知道敌人后队就要来到，就宿在东城等待敌军，欲与后金在此决战。十三日，敌军大队到达，驻扎在蓟州东南角，同袁军相持半日。
金军本来就想避免同袁军作战，所以绕道而来，想不到在此又遇到袁军，所以在刚同袁军相遇时，都“相视而骇”。然而皇太极却不恋战，金军因前锋受挫，为了避坚攻弱，就在夜间退去，由蓟州向西而去。沿途遇到满桂、侯世禄的军队，把满、侯两军打败，并且在攻陷三河、顺义以后，直逼通州，企图威胁北京。
袁崇焕听说三河、顺义已经失守，又知道北京附近没有劲兵守卫。为了保卫国都，袁崇焕再督将士由蓟州抄小路向西急行。部将们担心，军队没有朝廷的命令而直趋京城，会遭到猜忌。袁崇焕说：“皇上有急，还顾得了那么多，如能解难，虽死无撼。”一路上，兵不进食、马不停蹄，两昼夜走了300多里。
他严令战士秋毫无犯，有一个士兵擅自走进民宅索要饼吃，袁崇焕将其枭首示众，以安民心。十七日，辽军抵左安门，袁崇焕下令，不许一兵一卒私入民家，连野外树木也不得损伤。此时，崇祯皇帝已将兵部尚书王洽下狱，正为京城防守而焦急，闻袁崇焕率辽军先至，深感欣慰。
金军乘夜向西退去以后，盘踞在通州附近，本想把袁军隔在后面，使袁崇焕不能来增援北京；同时又可以进据通州，扼住北京的咽喉，切断北京和南方漕运的联系。皇太极认为这样一来，北京就可以不攻自破了。谁知这一招被袁崇焕识破，袁军早已由近路飞奔到京郊，使皇太极这一招落了空。当金军在高密店一带发现袁军已经到了他们前面时，大出意外，认为袁军从天而降。后来，金军到了北京附近，已经在袁军后面三天了。可是袁崇焕这一积极保卫京师的敏捷行动，后竟被人诬陷为引导敌军逼近京城，威胁朝廷讲和。
十八日，思宗召见袁崇焕加以慰劳，问他战守方略，并赐军队饮食及貂裘、羊，又令户部发军饷。这时，袁军已经忍着饥饿两天了。十九日，思宗再发刍豆粮米、羊、酒、银饷犒师。
二十日，后金八旗大军始达京师东、北两面，在城北土城关列营。这时，大同总兵满桂、宣府总后侯世禄率援军列营德胜门，袁崇焕、祖大寿列营广渠门。
皇太极命大贝勒代善等领右翼军趋德胜门，大贝勒莽古尔泰等左翼军趋进广渠门。两场剑与血的鏖战几乎同时打响了。德胜门战场上，侯世禄不敢迎敌，先行溃败，满桂率兵交锋、孤军奋战，城上守兵发炮配合助战，不料误伤明军甚多，满桂负伤，带残兵避入城中。
袁崇焕在广渠门西排兵布阵，祖大寿扼守南面，王承胤列西北面，自己率兵居正中，严阵以待，以品字形队列迎击来自东北的八旗兵。两军交锋，短兵相接，奋力殊死。金军一部由皇太极长子豪格率领，首先进攻袁军北面，在打退袁军伏兵后，追至城濠附近，被袁军所阻。金军的护军校台弼善继续前进，被袁军打死。此时，金将阿济格、阿巴泰、多尔衮（均为努尔哈赤的儿子），又用尽全力向袁崇焕的中军猛扑，想一举击溃袁军。
袁崇焕也指挥战士奋勇杀敌，双方展开了猛烈的战斗。在战斗过程中，袁军副总兵周文郁两肋中了许多箭，像个刺猬一样；袁崇焕也被射中了几箭，幸亏身上披着数重铠甲，不曾射穿。有一次，敌人的刀已经砍到袁崇焕的身边，亏得有人拿刀将敌人的刀隔开，袁崇焕这才没有受到伤害。袁崇焕身先士卒，袁军将士越战越勇。以往军士杀敌论功，每凭首级，而常以争割首级而误战。袁崇焕深以为鉴，战前即令：不许割级，惟尽歼为期。故众将士此时一意剿杀金军。后来，袁崇焕同祖大寿合兵，进行了反击，进攻金军后队莽古尔泰部，八旗锋芒始却，金军不支溃退。明军乘胜砍杀，追出十多里，一直到辽河边上，金军慌忙渡河。渡河时，骑兵陷在冰里，淹死无数。
袁军又乘胜斩首1000多级。
这次战役，自午时起至酉时止，两军血战六七个钟头，八旗兵被歼数以千计，使金军锋芒大挫，明军亦伤亡数百。袁崇焕连夜慰劳负伤将士，直至东方欲晓。皇太极曾叹息说：“15年来，不曾碰到这样的劲敌（这次袁军以寡敌众，野战规模及作战成果都超过了宁锦战役，说明袁军的战斗力又有新的提高，能够和金军争强斗胜，这是十分了不起的成就）也！”
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