1627年(明天启七年、后金天聪元年)五月初九日，皇太极率兵到了广宁的旧边，命贝勒德格类、济尔哈朗、阿济格、岳讬、萨哈廉、豪格率护军经骑为前队，攻城诸将率绵甲军等携带云梯、盾牌等器械为后队，亲自同大贝勒代善、二贝勒阿敏、三贝勒莽古尔泰率领大军居中，八旗三队，鱼贯而行。后金军行进，分为前、中、后三队;作战，则列为左、中、右三路。初十日，皇太极至广宁。后金军士捉获明军哨卒，经讯问得知：右屯卫以百人防守，小凌河、大凌河虽修城未竣也有兵驻防，锦州城修缮已毕、马步卒3万人。皇太极命乘夜进军，轻取右屯卫城，直奔大凌河城。五月十一日，后金军由纵向的前、中、后三队，调整为横向的左、中、右三路——皇太极自率两黄旗和两白旗兵为中路，直趋大凌河城;大贝勒代善、二贝勒阿敏，贝勒硕讬及总兵官、固山额真等，率两红旗和镶蓝旗的兵马为右翼，直趋锦州城;三贝勒莽古尔泰率正蓝旗的兵马为左翼，直取右屯卫。中路皇太极军B近大凌河城，当时城池还没有修筑完成，守城兵撤往锦州。左翼莽古尔泰军B近右屯卫，当时城池也还没有修筑完成，守军逃遁，奔向锦州。后金军轻而易举取得了大凌河、右屯卫两城后，三路大军会师锦州，距城一里，四面扎营。袁崇焕调蓟镇、宣府、大同等地的兵马出关迎敌。
锦州机战后金军进抵锦州城外，四面扎营布兵，将锦州城严密包围。时明太监纪用、总兵赵率教驻锦州，负责筑城、守城。当后金军将要到来时，左辅等人撤入锦州，凭城固守，准备抵抗。沿边小堡也都撤兵，归并大城，坚壁清野，合力御敌。
五月十二日，纪用和赵率教派官到后金军大营，商谈议和。首先，明军对后金来犯，缮城整军，治械储粮。金军突然围城，明军准备不足。所以，纪用和赵率教遣官往皇太极大营议和，拖延时间，以待援兵。皇太极对锦州来使态度强硬，并给纪用、赵率教写了回书。但是迟不见回复。皇太极下令攻城，锦州机战爆发。同日，中午，开始锦州攻守机战。当日后金军攻城不下，受到重大的损失，后退五里结营。城里与城外，议和与兵锋，尔来我往，交替进行。皇太极初战失利，派人到沈阳调兵增援。
五月十三日凌晨，后金以骑兵围城，却不敢靠近城垣。皇太极三次派遣使者到城下说降，都被赵率教拒之城外。皇太极传令攻城，后金军攻城，增加伤亡，别无所获。皇太极再发劝降书，用箭色到城里，连色数封信，城里无反响。皇太极求和心切，并等待援兵，再遣二人随明朝使臣回锦州城，但明军仍闭城不纳。皇太极令明使者带回书信，书信内容意在机纪用和赵率教派军出城野战，纪用、赵率教断然予以拒绝。同日，明辽东巡抚袁崇焕派人送给纪用、赵率教的书信被后金军截获，此信是袁崇焕的诓骗信，皇太极却信以为真。这一天，莽古尔泰、济尔哈朗、阿济格、岳托、萨哈廉、豪格等率军前往塔山护粮。前队的八十人遇到了明军满桂、尤世禄二总镇的两万人，被后金军击溃。
五月十七日，皇太极收缩对锦州城的包围，聚兵于城西二里处结营，以防明朝来援的军兵。五月十八日，皇太极急不可耐，将书信色入锦州再次劝降。锦州城中的纪用和赵率教对其劝降，不予理睬。五月十九日至二十日，后金军继续围城。五月二十五日，后金固山额真博尔晋、图尔格率领援军从沈阳来到锦州，增强了后金军攻城的兵力。
至五月二十六日，后金军已围城15日，时值初夏，后金官兵暴露荒野、粮料奇缺、人马疲惫、士气低落。五月二十七日，皇太极率三大贝勒，众台吉、每旗副将一员，并护军营共三千兵，往宁远一带迎击明军。后金军分兵为两部：一部继续留驻锦州，在锦州城外凿三道濠，加以包围;另一部由皇太极率领官兵数万，往攻宁远。此前，袁崇焕军同皇太极军相遇机战。
锦州被围，京师震惊。因而明朝必调援兵。后金也在盘算，集中兵力围攻锦州，明军必来救援，有其野战争锋，发挥骑色长技，—举歼灭明军。袁崇焕也头脑清醒：不发援兵，锦州危机;如发援兵，“正堕其计”。明军援锦，易中敌计，失恃坚城，恐遭包围。袁崇焕既要固守宁远，又要出援锦州。首先是固守宁远，其次是出援解围。但是明廷为着确保宁远，不允许袁崇焕亲自率领援兵，前往救援;而令满桂、尤世禄、祖大寿等率军一万，驰援锦州。
五月十六日，明山海总兵满桂率援兵往锦州，过连山到笊篱(zhàolí)山，同后金护卫运粮的偏师相遇。满桂、尤世禄奋勇而前，内外夹攻，拼力冲杀，突破包围。两军交锋，各有死伤，但是死伤均较少。由于双方互存戒心，战斗很快结束。明援军回到宁远，后金军回到塔山。五月十九日，袁崇焕派出奇兵，进B扰敌。但以上诸措施，均未见太大实效。
皇太极见有明援军野战不成，锦州攻城不下，派使劝和不降，便向西移师，攻打宁远城。早晨，皇太极率大贝勒代善、二贝勒阿敏、三贝勒莽古尔泰和济尔哈朗、阿济格、萨哈廉等八旗官兵，前去攻打宁远。当时宁远城内，袁崇焕和内镇太监一起驻守。袁崇焕指挥明军撤进壕内，总兵孙祖寿、副将许定国率军在西面，满桂令副将祖大寿、尤世威等率军在东面，余在四周，分守信地，整备火器，准备迎战。城外，布列车营，前面挖掘深壕作为屏障，明军都撤到壕内侧安营。袁崇焕此次固守宁远，除“凭坚城以用大炮”外，还布兵列阵城外，同后金骑兵争锋。
五月二十八日早晨，后金军到达宁远，展开机烈的攻守战。萨哈廉、瓦克达等部都被明军重创。同时，锦州的明军出城，后金军迎击，击败了来援的明军。皇太极亲率贝勒阿济格与诸将、侍卫、护军等向明军疾驰进击。诸贝勒来不及披甲戴胄，仓促出战。明总兵满桂、副将尤世威率军迎战，短兵相接，互有杀伤。明军城上城下互相配合，炮火、箭矢齐发，皇太极大帐被炸毁，济尔哈朗等受重伤,后金军死伤累累，被迫撤兵。
五月二十九日，皇太极率军撤离宁远退向锦州。皇太极攻宁远不克，又转攻锦州。遭明军西洋大炮和其他兵器还击，伤亡数千人。加之中暑得病，大量减员。皇太极鉴于围攻宁、锦24天，取胜无望，遂下令撤军，自返沈阳。
