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皇太極認為，騎兵作戰明軍不是後金的對手，明軍放棄拿手的大炮，偏要用騎兵，正好，可以用自己的八旗鐵騎廢了明軍。且當雙方騎兵交戰時，大炮是無法發射的，因為那樣可能傷害自己的軍隊。
而事實上，皇太極還是不知道明軍大炮的射程，此時明軍的紅夷大炮的最大射程是1830米，袁崇煥的戰術是雙方騎兵展開廝殺時用炮轟擊後金的後續部隊。換句話說就是引誘皇太極騎兵進攻，等上鉤的人差不多了，就用大炮轟擊他們的後隊，截斷援軍，前面跟自己騎兵作戰的後金騎兵永遠是那些人，而後面的後金騎兵上不來，始終保持人多打人少。
整個寧遠城下，草木燃燒，硝煙瀰漫，只見紛紛揚揚的塵埃中，後金的騎兵和他們身上的戰刀被紅夷大炮的炮彈炸到空中，又從半空中陸續落下來，東一堆西一堆的，有的是斷臂，有的是斷腿，有的是半截屍體，黃澄澄的泥土上，一攤攤後金軍的鮮血在凝固。
在火炮轟擊的同時，明軍關寧鐵騎與後金八旗鐵騎在城下血戰，明軍鐵騎掄起鐵製大棒來呼呼作響，碰上就皮開肉綻。更可怕的是這些大棒還能發射火器，打著打著冷不丁就開槍，後金軍死傷慘重，明軍鐵騎戰鬥力極強，見人就往死裡打，身中數箭數刀，依然死戰不退。
孫承宗、袁崇煥幾年來苦練精兵的努力終於沒有白費，此時的明軍騎兵已經與薩爾滸之戰時的明軍騎兵截然不同了，這一切都因為關寧鐵騎的橫空出世。兩軍共有上萬人混戰廝殺，勁風卷著塵土像流動的煙霧，增加了戰場的悲壯。明軍鐵騎帶著鮮血的戰刀閃爍著一道道寒光，刀鋒閃過，滿地是八旗軍的屍體，被砍下的八旗軍的頭顱在關寧鐵騎腳下被踢得滾來滾去，血汙和沙礫凝固在一起，糊得死人的五官難辨。八旗軍慘敗。
只見明軍騎兵在城下發威，炮兵在城上發威，袁崇煥令士兵紅夷大炮、木龍虎炮、滅虜炮一塊上。激戰中兩軍屍橫遍野，從早晨到中午，明軍死戰不退，後金傷亡很大，死幾千人。滿桂也身中數箭，坐騎受傷。後金軍無法靠近城池，甚至無法打到城下，死傷慘重。袁崇煥率軍殺出，其部下一箭射中阿濟格右肩，阿濟格險些落馬。皇太極說：&ldo;這個袁蠻子是厲害，怪不得我爸敗在他手裡。&rdo;隨後他下令停止進攻。
當後金軍在寧遠城下激戰時，錦州守軍趁後金主力不在。勢單力薄之際突然大開城門，蜂擁衝殺出來，大破後金，獲勝後迅速退回城內。皇太極感到寧錦前後腹背受敵，於是他率軍從寧遠撤退，全力圍攻錦州。
六月初四，皇太極一聲令下，數萬後金軍發起衝鋒，明軍用紅夷大炮和滾木礌石來對付後金軍，後金軍經歷慘痛的傷亡後才打到城下壕溝邊，壕溝很深，必須將雲梯架在壕溝上，晃晃悠悠踩著雲梯才能過去。後金軍密集地擁擠在壕溝邊反倒成了城上明軍的活靶子，在火炮轟擊下紛紛倒斃，屍積如山。
農曆六月相當於公曆七月，此時東北的天氣雖不像現在這樣炎熱，但身穿鎧甲的情況下冒著炮火發起進攻，也是常人難以忍受的。
最終皇太極只得下令撤軍，此戰結束，史稱&ldo;寧錦大捷&rdo;。戰後袁崇煥欣喜地奏道：
十年來，盡天下之兵，未嘗敢與奴戰，合馬交鋒。今始一刀一槍拼命，不知有夷之兇狠剽悍。職復憑堞大呼，分路進追，諸軍忿恨此賊，一戰挫之，滿鎮之力居多。
《遼海丹忠錄》有詩寫此戰：
分崩虜騎如潮瀉，鼓聲雷動寧遠下。長圍虹亙百餘裡，靴尖踢處無宗罅。將軍神武世莫倫，怒須張戟雙目眥。劍鋒掃虜秋籜卷，紛紛聚蟻無堅屯。屍沉馬革亦何畏，流矢薄身驚集蝟。大呼直欲盡敵止，風雷疑是軍聲沸。胡奴走盡壁壘開，一城士女歡如雷。十年積餒一時破，虜馬應自忘南來。捷書飛入明光裡
