經過一段時間的經營與建設，寧遠城拔地而起，“軍民五萬餘家，屯種至五十裡，遠近莫不歸附”。
袁崇煥得意地給內閣輔臣寫信說：“不肖在寧遠，長安（代指北平）可高枕而臥也！”
天啟五年，八月，明軍在柳河之役中敗北，袁崇煥急忙阻擋奔潰的士卒，讓他們各自回到信地防守，從而保全了關外諸城。
十月，孫承宗引咎辭職。袁崇煥對此深感失望，見到孫承宗就流淚，甚至請求和他一起辭職。[172]新任遼東經略高第到任不久，即命錦州、右屯衛、寧遠、前屯衛等處軍民入關，儘棄關外之地。
四年沒有大舉攻明的努爾哈赤親征遼西，十七日渡過遼河，袁崇煥聽說後金軍渡過遼河的消息，馬上進行軍事部署。
袁崇煥誅殺臨陣退縮的逃兵，並移檄前屯衛總兵趙率教、山海關總兵楊麒，說凡見逃兵即以間諜論，逮捕處死，若有一兵潰入前屯衛，一卒逃進關內，則問罪趙、**將。
在戰前動員中，袁崇煥刺血為書，向全體將士下拜，吃著草激勵他們說：“苟能同心死守，吾為牛羊以報，亦所甘也！”將士都為之感動，請求拚死一戰。
不久努爾哈赤的大軍抵達寧遠城下，駐紮於城西北五裡外，稱自己有二十萬大軍，勸降袁崇煥，袁崇煥回信稱努爾哈赤不過十三萬軍隊，拒絕投降。
此後三天，努爾哈赤以楯車和重騎兵猛攻寧遠，袁崇煥則指揮明軍用紅夷大炮、火銃等火器還擊，並不斷用石塊堵住被後金軍在城牆上鑿開的窟窿，寧遠軍民的頑強抵抗給後金軍以重大殺傷，努爾哈赤不得不於二十七日決定撤回沈陽，撤軍前還派兵渡過結冰的大海，殺儘覺華島上軍民以泄憤。
此前，明廷對寧遠的防守不抱希望，然而袁崇煥卻指揮明軍取得了薩爾滸之戰以來第一次對後金正麵交鋒的勝利，因此被明方稱為“寧遠奇捷”或“寧遠大
捷”。
捷報傳到北平，朝野為之歡呼，明熹宗稱“此七八年來所絕無，深足為封疆吐氣”，並加袁崇煥都察院右僉都禦史銜。
袁崇煥上疏請求辭職終製，明熹宗不允。
三月初九日，更命袁崇煥巡撫遼東、山海等處，賦予便宜行事之權。
在寧遠阻擋後金汗努爾哈赤的攻勢，取得寧遠大捷，因功擢為遼東巡撫。
寧遠之戰後，袁崇煥本來打算統一遼東事權，並得到兵部尚書王永光的支持，開始討論裁撤經略及總兵，將所有事權統一於遼東巡撫的計劃，然而熹宗並未聽從此議，先派六名宦官充當監軍，又改經略為督師，以王之臣取代高第出任，位在袁崇煥之上。
此外，努爾哈赤死後，袁崇煥欲在後金汗位更迭之際“乘機進剿”，先利用其便宜行事之權，派遣李**去沈陽，借吊祭努爾哈赤為名窺探後金虛實，後金新汗皇太極趁機提出議和的請求，袁崇煥有意答應，準備“因而間之”，即趁機離間。
當權的大太監魏忠賢支持袁崇煥的主張，於是明金雙方從十二月起開始議和交涉，在此期間，袁崇煥先修鬆山、杏