同年五月，袁崇煥以閱兵為由去見毛文龍，毛文龍設宴與袁崇煥喝酒，倆人常常喝到半夜，毛文龍沒有覺察到袁崇煥的來意。袁崇煥提議更改軍營製度，設置監察官員，毛文龍對此建議感到不高興，袁崇煥用回鄉來打動他，毛文龍說：“我向來有這個意思，但隻有我知曉遼東的事務，遼東的事情解決後，朝鮮衰弱，可以襲擊占有。”袁崇煥對毛文龍的回答感到不高興。
而後袁崇煥邀請毛文龍觀看將士射箭，預先在山上設置好帳篷，令參將謝尚政等率兵埋伏在帳外。毛文龍到了之後，他的部下沒能入內。袁崇煥說：“我早晨就走，你擔當海外的重托，請受我一拜。”毛文龍回拜之後倆人開始登山。路上袁崇煥問隨從官員的姓名，大多都是姓毛的。毛文龍說：“這些都是我的孫子。”袁崇煥笑著說：“你們在海外長久勞累，每月祿米隻有一斛，說來痛心，也受我一拜，請為國家儘力。”眾人都叩頭道謝。
袁崇煥接著說幾件毛文龍違法做的事，毛文龍與其爭辯，袁崇煥厲聲斥責毛文龍，下令將毛文龍的冠服去除並捆綁起來，毛文龍表示不服，袁崇煥於是列數毛文龍的十二條罪狀，拿出尚方寶劍，將毛文龍斬殺。
袁崇煥殺了毛文龍之後，害怕他的部下叛變，於是增加他們的餉銀，但是島上的人沒有主帥，人心背離，難以使用，而後會導致叛離。袁崇煥上書給明廷：“東江鎮是牽製敵人所必須依托的。現確定兩協的編製，馬軍十營，步軍五營，每年餉銀四十二萬，米十三萬六千。”皇帝朱由檢對兵員減少軍餉卻增加的事情感到疑慮，但是一看是袁崇煥奏請的，也就答應了他。
己巳之變
崇禎二年（1629年）十一月，後金主皇太極舉兵數十萬分彆進入龍井關、大安口，袁崇煥聽聞後率領祖大壽、何可剛入關守衛，所經過的薊州、撫寧、永平、遷安、豐潤、玉田各城，都分兵留守。皇帝朱由檢得知後非常高興，下令嘉獎袁崇煥的部下，並讓袁崇煥統領指揮各地援軍。
但不久之後，遵化、三屯營都被後金軍攻破，趙率教也在遵化戰役中中流矢陣亡， 巡撫王元雅、總兵朱國彥自儘而死。後金軍越過薊州往西，直逼京城，袁崇煥忙率兵護衛京師。朱由檢召見袁崇煥，賞賜禦用酒菜及貂裘慰勞袁崇煥，袁崇煥以兵馬長途奔波，疲憊不已，請求入城休整，但遭到拒絕。於是袁崇煥駐軍城外，與後金軍鏖戰，互有勝負。 袁崇煥令戴承恩在廣渠門列陣，祖大壽於南麵列陣，王承胤在西北列陣，袁崇煥在西麵列陣以備戰，中午時刻，清騎兵從東南麵進攻，祖大壽率兵奮力接戰，而王承胤卻拔陣向南避戰。後金軍力戰祖大壽不下，於是撤退，明將劉應國、羅景榮等人率兵進行追擊，殺傷後金軍千餘人，而明軍死傷也很多。收兵後，朱由檢用酒食犒賞軍隊。 袁崇煥有派遣任守忠率領五百人用火炮轟打金營，後金軍撤退，京都之威遂解。
下獄處死
但後金軍退兵後，袁崇煥卻被治罪。當初後金軍進入的關口是屬於薊遼總理劉策所管轄，而袁崇煥得知後金軍入關，直逼京城，於是千裡迢迢趕來救援，自認為有功無罪，但是朝中大臣卻有很多人認為是袁崇煥放清兵入關，於是紛紛誹謗袁崇煥與後金軍有勾結，朱由檢對此也很懷疑。此時後金軍也設計離間，說袁崇煥與後金軍有秘密約定。十二月，朱由檢將袁崇煥下獄。
魏忠賢遺黨王永光、高捷、袁弘勳、史褷等人想趁機給魏忠賢報仇，以擅自與後金軍議和、擅殺毛文龍兩條罪名定袁崇煥死罪，崇禎三年（1630年）八月，袁崇煥被淩遲處死，家人被流徙三千裡，並抄沒家產。
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