5月17日，後金天聰汗：愛新覺羅·皇太極，開始收縮對廣寧中屯衛（後金叫錦州）的包圍，並聚兵於城西二裡處結營，以防止南邊明廷援軍北上。
5月18日，急不可耐的後金天聰汗又將勸降書信射入城中，明軍依舊不予理睬。
5月19日，明遼東總鎮巡撫：袁崇煥，鑒於閹黨明寧遠衛監軍：劉應坤，不斷催促他前去救援困在廣寧中屯衛城內的明山海衛監軍，因此袁巡撫才派出關寧騎兵進逼擾敵，但以上諸措施，均未見太大實效。
隨後5月25日，後金鑲紅旗固山額真：完顏·博爾晉、後金鑲白旗固山額真：鈕鈷祿·圖爾格，才率領後金援軍從盛京城趕來廣寧中屯衛參與圍城，這大大增強了後金軍攻城的兵力。
到了5月26日，後金軍已圍城半月之久，時值初夏，後金官兵暴露荒野、糧料奇缺、人馬疲憊、士氣達到了低落。
5月27日辰時，後金天聰汗見誘明援軍野戰不成，且廣寧中屯衛久攻不下，派使者勸和也不降，便決定親率後金大貝勒：愛新覺羅·代善、後金二貝勒：愛新覺羅·阿敏、後金三貝勒：愛新覺羅·莽古爾泰、後金鑲藍旗和碩貝勒：愛新覺羅·濟爾哈朗，等人向南移師，前往寧遠衛一帶迎擊明軍。
因此後金軍開始分兵為兩隊；一支繼續留駐廣寧中屯衛並在城外鑿開三道戰濠，加以包圍，另一支南下寧遠衛。
5月28日辰時，後金軍到達寧遠衛城下，當時寧遠衛城內明遼東總鎮巡撫：袁崇煥、明寧遠衛監軍：劉應坤、明都察院右僉都禦史兼廣寧前兵備道參議：畢自肅，一起負責指揮明軍們撤進戰壕內。
其中明薊州鎮西協副總兵：孫祖壽、明登萊水師副總兵：許定國，率軍在西麵，明山海衛總兵：滿桂，則傳令明山海衛左參將：祖大壽、明山海衛副總兵：尤世威，等將領率軍在東麵，餘部在四周，分守陣地，整備火器，準備迎戰。
城外明軍還布列車營，前麵挖掘深壕作為屏障，明軍都撤到戰壕內側安營紮寨，全軍整裝待發狀態。
此次固守寧遠衛，依舊憑借著堅城的紅衣大炮（呂宋大炮）還有關寧鐵騎隨時出戰，同後金騎兵爭鋒，因此明軍陣營兵將絲毫不落下風。
首先由後金正紅旗貝勒：愛新覺羅·薩哈廉、後金正紅旗牛錄額真：愛新覺羅·瓦克達，等部發動第一波衝擊明軍北麵防禦，被明軍火器重創，但也得知北麵明軍兵力薄弱。
同時後金天聰汗又下令發動第二波衝鋒，攻打東麵明軍城防，使得寧遠衛城內的大明關寧鐵騎不得不出城，與後金軍應戰，以減少四麵圍城的壓力。
而後金天聰汗則親率後金鑲藍旗和碩貝勒與諸將、侍衛、護軍等人朝明軍反擊，但是諸貝勒們來不及披甲戴胄，隻得倉促出戰，因此被明山海衛總兵、明山海衛副總兵率軍迎戰，短兵相接，互有死傷。
明軍城上城下互相配合，炮火、箭矢齊發，導致後金天聰汗的中軍大帳都被炸毀了，還把後金鑲藍旗和碩貝勒等將領打成重傷，此番衝擊後金軍死傷累累，仍未到達寧遠衛護城河半步。
5月29日，後金天聰汗當即就率軍撤離寧遠衛北返退向廣寧中屯衛圍攻，但又遭到了明軍紅衣大炮和其他火器的還擊，打得後金軍傷亡數千人。
加之夏季中暑得病，後金軍中大量減員，且後金天聰汗鑒於圍攻寧遠衛、廣寧中屯衛24日，依然取勝無望，遂下令撤軍返回汗庭盛京城。
6月初5日子時，後金天聰汗開始召集圍攻廣寧中屯衛的兵馬撤軍，在經過小淩河驛、廣寧中左守禦千戶所（大淩河堡）時，下令拆毀了明軍的工事毀壞城牆，然後背負辱名之痛東去，於6月12日回到盛京城。
大明方麵取勝，【明實錄】史稱〈寧廣大捷〉，滿清入關之後修編【明史】記載則稱為［寧錦大捷］。
6月21日，漠南蒙古敖漢部背叛了漠南蒙古察哈爾部胡圖克圖汗：孛兒隻斤·林丹汗巴圖爾（虎墩兔），前來歸附後金汗國，並與後金天聰汗訂立盟誓。
這使得漠南蒙古察哈爾部胡圖克圖汗的地位一落千丈，他隨即離開遼河套地區，踏上了西遷之路。
然而關於他西遷的原因，有以下幾個；首先是因為他在漠南蒙古左翼諸部當中已經眾叛親離，再加上後金汗國兵鋒正盛，被迫選擇西遷是避其鋒芒之舉，其次就是利用漠南蒙古右翼力量薄弱之機，趁機兼並諸部，以恢複蒙古大汗的共主地位。
第三則是當時的漠南蒙古察哈爾部與大明帝國貿易的據點廣寧衛地區已經失陷，城池早已化為灰燼破爛不堪，因此漠南蒙古察哈爾部胡圖克圖汗就想通過兼並漠南蒙古右翼諸部，以達到將大明賞賜給漠南蒙古右翼諸部的豐厚市賞據為己有。