天启四年（1624年）九月，袁崇焕马世龙等携兵一万两千巡边广宁，叙劳进兵备副使，继又升至右参政。
对于高第的撤军命令，袁崇焕极力反对：“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。”高第不听，仍令马世龙撤宁、前二城之兵。
袁崇焕说“我为宁前道也，官此当死此。必不去”
高第只得尽撤锦州右屯松山杏山大小凌河等处兵马，弃粮粟尽十万余石。十二月，袁崇焕升任按察使，仍主事宁前。
天启六年正月初五，高第得到情报：后金军将在正月十五前后渡辽河，前往前屯抢粮。要求袁崇焕尽快撤回宁前明军，袁崇焕不再坚持自己意见，像上上报：“倾巢入犯，视蕞尔宁远如杌上肉，至兵至锦（州）、右（屯）一带。彼不知臣之先行撤入，而谓我先逃，故一往而无反复顾忌，直抵宁远城下。”由于撤退比较仓促，右屯三十万石粮食被后金掠走。
袁崇焕在宁远第一次面临后金军的进攻，考验他的时候到了。
宁远城（就是现在的兴城）位于山海关外100公里左右，宁远小城在1428年（宣德三年）才设“卫”。 全城呈正方形，共四个门；周长六里八步，高二丈五尺； 池深一丈，宽二丈，周长七里八步，只不过比“所”稍大一点而已。即便如此，它和前屯（今绥中县前卫镇）是当时大明朝在辽西地区硕果仅存的两所卫城。《明季北略》记载，当时袁崇焕在宁远城共拥有西洋大炮11门；接受过葡萄牙人训练的彭簪担任火器总把，专司训练炮手使用红衣大炮；而袁早在福建便招募的军人罗立，则成为红衣大炮的发射者之一。
此时孤城宁远守军不满两万，前有劲敌，后无援兵，形势险恶。天启六年(后金天命十一年）正月十四出沈阳，十七日西渡辽河，直逼宁远。
袁崇焕召集诸将议战守，决定采取坚壁清野之策，组织全城军民共同守城：
1、派总兵满桂、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。
2、由彭簪古、罗立指挥红衣大炮。
3、令通判金启倧编派民夫，供给守城将士饮食。又派官吏带领城内商民筹办物料，运矢石、火药等。
4、督同知程维楧稽查奸细，派人巡守街巷路口，又动员街民配合士兵逐户搜捕。
5、动员城厢商民入城，尽焚城外房舍、积刍，坚壁清野，让后金军露处严寒野外；在城墙外侧泼水为冰，以阻后金军登城。
一切准备就绪，袁崇焕在众将面前刺血为书，“刺血为书，激以忠义，为之下拜，将士咸请效死。乃尽焚城外民居，携守具入城，清野以待。令同知程维（木英）诘奸，通判(金)启倧具守卒食，辟道上行人。檄前屯守将赵率教、山海守将杨麒，将士逃至者悉斩，人心始定。”
正月二十三日，后金军进抵宁远 “于旷野布兵，南至海岸，北越广宁大路，前后如流，首尾不见，旌旗剑戟如林。”努尔哈赤对袁崇焕进行劝降：“大金二十万来攻，宁远城破在即，守城官如弃城投降，可以优厚待遇”。袁崇焕当然拒绝了。
宁远城中“寂然无人声”，后金军将铁裹车撞城，声轰然“。袁崇焕命发西洋大炮，又杀伤后金军甚众。
左辅率军民依托坚城，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。
明军用大条石投入城下，砸死后金兵无数，又用大木柜悬到城外，柜子埋伏士兵用箭射杀躲在死角的后金兵。
正月二十四日，后金兵凭借”身被铁铠二重“的”铁头子“兵，藏在木车中，推进到城下，在城墙下面挖出了一个个凹龛，躲在里面挖城，处于死角无法射杀。形势危急，城中百姓开始抱怨：袁爷因为己一人，累我一城百姓。”‘
最后，通判金启倧想个办法，将火药撒在被褥上，投到城下敌群中，在将引火之物引燃，大量烧死、烧伤后金兵无数，可惜金启倧却因火药失火以身殉职。
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。
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。
用后金自己的说法是：”时因城墙冻，掘而未坠，是以班师。“
经此劫难，城中百姓又跪谢袁崇焕和满桂的救命之恩。
高第向朝廷报捷：“宁远捷功奴夷首级二百六十九颗，活夷一名，降夷十七名。”
山海关主事陈祖苞也上报：“二十四、二十五两日，虏众五六万人，力攻宁远，城中用红衣大炮及一应火器诸物，奋勇焚击，先后伤虏数千，内有头目数人，酋子一人。”
但是，袁崇焕的原报：“至二十四日寅时攻打西南角，城上用大炮打死无数。”
高第据此又加报“丙子经略高第报，奴贼攻宁远，炮毙一大头目，用红布包裹，众贼抬去，放声大哭。”这也就是努尔哈赤在宁远被大炮哄伤的来历。
事后，袁崇焕给后金投书一封：“老将久横天下，今日败于小子，岂非数也？”得意之态溢于言表。
按照《清太祖实录》的说法：“二日攻城，伤我游击二人，备御官二人，兵五百。”
大明朝廷对此战总结为：“虏遭屡挫，打死头目，此七八年来所绝无，深足为封疆吐气，关门既已无虞，宜亟发重兵，相机追缴，以收全胜。”
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