1638年（明崇禎十一年，清崇德三年）農曆十月，皇太極親自率領部隊進攻明朝，率領鄭親王濟爾哈朗、豫親王多鐸出寧遠、錦州大道；睿親王多爾袞為左翼，自青山關入；貝勒嶽讬為右翼，自牆子嶺入。祖大壽在中後所（今遼寧綏中縣城）屯兵，領兵偷襲多鐸，多鐸戰敗。第二天，多鐸與濟爾哈朗合兵出戰，祖大壽收兵回中後所。不久，皇太極親自來到中後所，派使者給祖大壽帶話：“自大淩河一彆後已過數年。我不畏艱苦而來，就是希望與將軍見上一麵。至於將軍是歸降我大清還是仍留在大明，絕不勉強，將軍自己決定去留。上次是我釋放了將軍，如借會見之名誘捕將軍，我還憑什麼取信天下之人呢？這些年將軍雖然屢次率隊與我軍發生衝突，但我知道你是在執行命令，儘自己的職責，我不會放在心上的，請將軍不要懷疑。”
第二天，皇太極又命令釋放抓獲的明軍俘虜，並讓他帶信給祖大壽。信上說：“我在大淩河釋放了你，我的大臣都說我看不清人。現在，將軍應該出城與我相見，證明我沒有看錯你。如果將軍不放心，我們各帶一兩名親信隨從，在兩營的中間處會晤。我這麼做，隻是為了自我解嘲罷了，同時也讓將軍的子侄和大淩河的將帥都知道將軍是履行諾言的人。”
祖大壽卻始終沒有露麵。
再次降清
1639年（明崇禎十二年，清崇德四年）農曆二月，皇太極再次進攻明朝，以武英郡王阿濟格為前鋒，親自督軍包圍鬆山。明朝崇禎帝下召命令祖大壽前去支援鬆山，祖大壽剛剛行軍，清軍就到了，於是祖大壽去寧遠駐守。
皇太極派遣使者去錦州告訴祖大壽的妻子，叫她以利害誘導祖大壽投降。祖大壽選蒙古、漢族兵各三百，命令祖克勇及副將楊震、徐昌永等取道邊外進取錦州，到烏欣河口；清軍將領阿爾薩蘭以滿、蒙兵一百六十人與明軍交戰，清軍勝，斬明軍八十四人，得馬一百五十匹。
皇太極下令停止進攻鬆山，後金軍返回盛京（今遼寧沈陽）。於是祖大壽又進入錦州駐守。
1640年（明崇禎十三年，清崇德五年）農曆五月，皇太極到義州視察，蒙古蘇班岱等請求歸降，皇太極命濟爾哈朗等率軍一千五百人前去迎接。祖大壽得知清軍人少，命令遊擊戴明與鬆山總兵吳三桂、杏山總兵劉周智合兵七千人出擊，卻被濟爾哈朗打敗。
於是皇太極命多爾袞、濟爾哈朗等帶兵輪番攻錦州。1641年（明崇禎十四年，清崇德六年）農曆三月，皇太極再次發兵圍攻錦州。明薊遼總督洪承疇率吳三桂等八總兵領兵十三萬來援，駐紮在鬆山。皇太極親率軍隊切斷明軍糧道，明軍大亂。清軍趁勢掩殺，總督洪承疇等被圍於鬆山。
1642年（明崇禎十五年，清崇德七年）農曆二月，鬆山城破，洪承疇被俘之後解送盛京（今遼寧沈陽），洪承疇投降清朝。
1642年（明崇禎十五年，清崇德七年）農曆三月初，被圍困了整整一年的錦州糧絕援儘，城中殺人相食的慘狀再度重演。於是祖大壽在三月初八親率部眾開城出降。
捷報傳到盛京，皇太極大喜過望，命人立刻將祖大壽送到盛京。當祖大壽跪倒在崇政殿時，皇太極走下寶座，親自將他扶起，好言撫慰：“你上次背叛我是為了你的主子，為了你的妻子兒女和宗族。我曾經對大臣們說過，祖大壽一定不能死，如果以後再次投降，我也決不會殺他。事情過去就過去了，隻要以後能夠儘心儘力地侍奉我就可以了。”
祖大壽被授予漢軍正黃旗總兵的職位。塔山、杏山也相繼落入清軍之手。山海關外，僅存寧遠一座孤城。祖大壽的外甥吳三桂既是明軍事重鎮寧遠總兵，又是遼東提督，統率關外明軍。皇太極讓祖大壽寫信招降吳三桂，吳三桂回信拒絕。
因病去世
1644年（清順治元年）農曆九月，愛新覺羅·福臨在輔政大臣濟爾哈朗的護送下，從盛京（今遼寧沈陽）抵達北京，祖大壽跟隨入關。
1656年（順治十三年），祖大壽在病死於北京祖家街的府宅。
皇太極：“能久守者，讀書明理之效。”
石廷柱：“第明國京都，倚祖大壽為保障。”
夏允彝：“大壽家富而勇，曾犯法，幾被戮於承宗，賴崇煥力救，故相得甚歡。及為大帥，子弟皆貴為劉帥，家丁皆夷人、遼人，多善戰。都下擅歸，以崇煥下獄激之使然。而其母痛責之，其妻故妾也，亦持之甚堅，故仍為國用。永平恢複、錦州力守，皆有功。但圍既久，糧已竭，而援兵不起，遂以城降，而身自逃歸。或雲已輸誠於東夷，已謂吾歸即舉八城儘降，故東夷縱之。然歸而即為國固守，雖其子在虜中不之顧也，亦非有意負國者。力守鬆山、杏〔山〕，與洪承疇被圍年餘，力竭而陷，遂致失節。”
梁啟超：“祖氏兄弟，大壽、大弼、大樂以督師裨將，遵其方略，猶能為睢陽之守著歲餘，非洪承疇之降，錦州固未易下也。”
蔡東藩：”獻城賣國賣友。“
佚名：“一代名將，據關外，收關內，堪稱往複有忠義；兩朝貳臣，悖前主，負後主，真個裡外不是人。”
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