八月，孙承宗自请督师辽东，王在晋调南京兵部尚书，阎鸣泰升任巡抚辽东，袁崇焕调永平道。九月，孙承宗抵关。十二月，阎鸣泰令袁崇焕审核兵数，袁崇焕私斩小校，（《明史本传》，《三朝辽事实录》中记其杀二人）导致军营几乎哗变。孙承宗怒其以监军专杀，袁崇焕请罪。
天启三年（1623年）春，孙承宗令袁崇焕抚哈剌慎各部，令其移出八里铺至宁远，收复二百七十里。（《孙承宗年谱》）孙承宗初令祖大寿筑宁远城，九月又令袁崇焕和满桂前往。袁崇焕定城规模，令祖大寿等督建城。天启四年（1624年），宁远城竣工，遂成关外重镇。
天启四年（1624年）春，孙承宗上疏言“宁远可战可守”，又说“愿用崇焕指殚力瘁心以急公”不愿用“腰缠十万之逋臣，闭门颂经之孱胆”，帝听之。
九月，袁崇焕、马世龙等携兵一万两千巡边广宁，叙劳进兵备副使，继又升至右参政。同年，袁崇焕父病故，袁崇焕两疏请辞，不许。
天启五年（1625年），孙承宗遣兵分驻锦州、松山、杏山等城。同年，因柳河之战，孙承宗屡次遭参，请辞。十月，兵部尚书高第经略辽东。
宁远大捷
高第上任后，认为关外必不可守，力主尽撤宁锦之兵于山海关。督屯通判金启倧上书给袁崇焕力拒，金启倧书曰：“锦、右、大凌三城皆前锋要地。倘收兵退，既安之民庶复播迁，已得之封疆再沦没，关内外堪几次退守耶！”袁崇焕亦力争不可，其言：“兵法有进无退。三城已复，安可轻撤？锦、右动摇，则宁、前震惊，关门亦失保障。今但择良将守之，必无他虑。”（《三朝辽事实录》卷十五）。高第不听，仍令马世龙撤宁、前二城之兵。（《孙承宗年谱》）袁崇焕说：“我为宁前道也，官此当死此。必不去。”（《边事小记》）高第只得尽撤锦州右屯松山、杏山、大小凌河等处兵马，弃粮粟尽十万余石。十二月，袁崇焕升任按察使，仍主事宁前。（《督师纪略》）
天启六年（1626年）正月十四日，后金兵渡辽河。右屯守将周守廉逃，松山等处守将左辅亦烧毁粮储庐舍而退。（《东华全录》）袁崇焕闻之，与总兵满桂，参将祖大寿，守备何可纲，集将士誓守宁远。令中左所都司陈兆阑和都司徐敷奏率兵入城，左辅朱梅为外援。（《三朝辽事实录》）又传令通知前屯赵率教，山海关杨麟有宁远之溃兵皆斩。
二十三日，努尔哈赤率后金军至宁远，努尔哈赤自称率军三十万，必破此城，令袁崇焕投降。
袁崇焕答曰：“来兵称三十万虚也，约有十三万。吾修治宁远决守以死岂肯降耳！”（《东华全录》）
后金攻城，袁崇焕等宁远守军以火器拒之，宁远通判金启倧也因点炮自燃，为国捐躯。（《明熹宗实录》）
“自辰至晡，杀三千人，敌少却。二十五日佟养性督阵攻西门，势更悍，先登，益众。敌俱冒死力攻，城中卫之如前，击杀更倍于昨。”（《明季北略》）
“是役也，奴贼糜烂失亡者实计一万七千余人。而大炮以封，今所称‘安边靖虏镇国大将军’者，职所首取四位中之第二位也。”（《徐光启集》，卷四，《练兵疏稿二》）
“天启六年正月宁远守城，歼贼一万七千余人，后奉敕为安边靖虏镇国大将军，此正西洋所进四位中之第二位也。”（明人瞿式耜《瞿忠宣公集》卷二《请求火器疏》）
“炮过处，打死北骑无算；并及黄龙幕，伤一裨王。北骑谓出兵不利，以皮革裹尸，号哭奔去。”（《石匮书后集》）
努尔哈赤自称“自二十五岁起兵以来，征讨诸处，战无不捷，攻无不可，惟宁远一城不下。”（《清高祖实录》）
后金攻打宁远不下，分兵掠觉华，岛上参将金冠等七千水兵抗击殉国，七千商民被屠杀。后金焚毁觉华岛粮料八万石，船两千只。崔呈秀弹劾高第、杨麟，杨麟因不援削职，高第准其辞职还乡。王之臣代替高第督师辽东。（《国榷》）
天启六年（1626年）三月七日，复设辽东巡抚，袁崇焕为之。叙功，加袁崇焕兵部右侍郎，荫千户。袁崇焕三疏辞之，不许。
巡抚辽东
时值满桂、赵率教交恶，袁崇焕五月上疏请调满桂。王之臣以为不妥，以满桂勇猛调其任为山海关总兵，袁崇焕认为不可，逐经抚不和。经过朝廷调停，袁崇焕和王之臣分权，袁崇焕主关外，王之臣主关内；袁崇焕认错，并复请满桂调任山海关。（《两朝从信录》）
袁崇焕遣使者吊唁努尔哈赤。后金皇太极趁机遣使回复，谋求议和。袁崇焕奏报朝廷主以和缓之建锦州大小凌河诸城。辽东经略王之臣主张派遣使者非计，应回绝和议。王之臣奏疏：“年来奴酋求和于西虏（蒙古），而西虏不从；屈服于朝鲜，而朝鲜不受。一旦议和，彼必离心，是益敌以自孤也！近日，都官过通令处，虏鞭其背云：‘汝汉人全无脑子……喇嘛替他吊孝求和，反倒教别人与他为仇，我等不如也投顺罢了。’”（《两朝从信录》）御史智铤言，督抚意见各异，恐误边事。（《国榷》）天启七年（1627年）正月，召回王之臣，关内关外之事尽付袁崇焕便宜行事。（《三朝辽事史录》）
天启七年（1627年）正月初八，皇太极一面遣使与袁崇焕议和，一面派阿敏出军征朝。关于阿敏征朝兵力，《朝鲜李朝实录》作三万，《三朝辽事实录》作八万，《八旗通志》无兵力数字记载。朝鲜作为亲身参战方，没有必要缩小遇敌人数，故阿敏征朝兵力目前史学界都是以三万这个数字为准。出军后金军渡过鸭绿江，进攻朝鲜，史称“丁卯之役”。（《东华全录》）十四日，克义州，分兵攻打毛文龙东江铁山部。毛文龙遁入云从岛。（《三朝辽事实录》）。
朝鲜和毛文龙告急，朝廷命袁崇焕发兵援助，并拣轻兵捣巢，袁崇焕上疏无虚可捣。疏言：“顷闻奴兵十万掠鲜，十万居守，何所见而妄揣夷穴之虚乎？我纵倾伍捣之，无论悬军不能深入，即深入奚损于逸待之夷？而虎酋新并粆花，意殊区测，都令、塞令新通于奴而仇于我。万一我兵正道以东，奴暗以轻骑北出而袭我关宁，此时救人耶，抑自救耶？”此时后金总兵力约有七八万，前一年宁远大战努尔哈赤的发兵数就有五六万，因此皇太极留守沈阳的兵力至少还有四五万之多。虽然比起全族兵力驻防，此时沈阳的防务是略为薄弱了一些，可是袁崇焕此时身为辽东巡抚，所辖仅有宁锦七万兵，即使倾巢而出取沈阳，也无胜算。更何况朝鲜的战事在正月二十六日阿敏攻克平壤后就已经基本结束，之后阿敏部队留驻朝鲜只是为了威吓朝鲜以便在定盟时多捞些好处罢了。袁崇焕接到朝鲜命令出兵的时候就已经是三月，此时出兵对朝鲜战事已经无济于事，而且随时存在被阿敏部队回师前后夹击的危险。事实上，如果朝廷真的下定决心，从蓟镇和山海关调集大军集结到锦州，并协同蒙古察哈尔部一起兵发沈阳的话，对于近半数军队在外的后金来说，还是存在一定威胁的。但由于毛文龙虚报敌情，谎报征朝军有八万之众；又为了尽快减除自己的危机，谎报沈阳留守兵力不到一万（到四月，更谎报皇太极将留守兵力还派出部分增援朝鲜），让朝廷误判敌情，以为仅宁锦的兵力就足够犁庭捣穴，根本没有给袁崇焕配备能够威胁后金的军力。而且，即使三月份袁崇焕在接到朝廷旨意后立即全军出击沈阳，朝鲜和东江也早就在一个月前被打垮了，根本于事无补。唯一可能的结果是，袁崇焕的军队由于毛文龙的谎报久攻沈阳不下，以至于被回师的阿敏前后夹击。
天启七年四月，也是“丁卯之役”战况正激之时，蓟辽总督阎鸣泰上奏折，称颂魏忠贤的功德，并要求在宁远、前屯两地为魏忠贤修建生祠，作为下属的袁崇焕也只得联名上奏。《大明熹宗实录》记载“蓟辽总督阎鸣泰、巡抚袁崇焕疏送魏忠贤生祠”。
宁锦大捷
天启七年即天聪元年（1627年）五月初六，后金皇太极，以“明人于锦州、大凌河、小凌河筑城屯田”，没有议和诚意为借口，亲率数万军队，谒堂子，出沈阳，举兵向西，进攻宁（远）锦（州）。
十一日，后金军至锦州，距城一里，四面扎营布兵，将锦州城包围。时明太监纪用、总兵赵率教驻锦州，负责筑城、守城。当后金兵将至时，左辅等人撤入锦州，凭城固守。皇太极得报后，传令攻城。后金兵攻城数日，伤亡惨重，别无所获。
十六日，明辽东巡抚袁崇焕派人送给纪用、赵率教的书信被后金兵截获，内称“调集水师援兵六七万，将至山海关，蓟州、宣府兵亦至前屯，沙河、中后所兵俱至宁远。各处蒙古兵，已至台楼山”云云。皇太极信以为真，即收缩围锦兵力，聚集于城西，以防明援师。
至二十六日，后金军已围城十五日不克，人马疲惫，士气低落。
二十七日，后金军分兵为两部：一部继续留驻锦州，在锦州城外凿三道濠，加以包围；另一部由皇太极率领官兵数万，往攻宁远。
辽东巡抚袁崇焕提出：“坚壁固垒，避锐击惰，相机堵剿。”蓟辽总督、兵部尚书阎鸣泰题奏：“今天下以榆关为安危，榆关以宁远为安危，宁远又依抚臣为安危，抚臣必不可离宁远一步。而解围之役，宜专责成大帅。”此奏，得旨：“宁抚还在镇，居中调度，以为后劲。”朝廷为确保宁远，不允许袁崇焕亲自率领援兵，前往救援；而令满桂、尤世禄、祖大寿等率军一万，驰援锦州。
二十八日，辽军与后金军在宁远城展开激烈的攻守战。袁崇焕列重兵，阵城外，背依城墙，迎击强敌。皇太极欲驰进掩击，贝勒阿济格也欲进战；大贝勒代善、二贝勒阿敏、三大贝勒莽古尔泰“皆以距城近不可攻，劝上勿进，甚力”。天聪汗皇太极对于三位贝勒的谏止，怒道：
“昔皇考太祖攻宁远，不克；今我攻锦州，又未克。似此野战之兵，尚不能胜，其何以张我国威耶！”
明辽军与后金军两支骑兵，在宁远城外展开激战，矢镞纷飞，马颈相交。明总兵满桂身中数箭，坐骑被创；尤世禄的坐骑也被射伤；后金贝勒济尔哈朗、萨哈廉及瓦克达俱受伤。两军士卒，各有死伤。
明军骑兵战于城下，炮兵则战于城上。袁崇焕亲临城堞指挥，“凭堞大呼”，激励将士，齐力攻打。参将彭簪古以红夷大炮击碎八旗军营大帐房一座，其它大炮则将“东山坡上奴贼大营打开”，后金军伤亡重大。明太监监军刘应坤奏报称：“打死贼夷，约有数千，尸横满地。”后金贝勒济尔哈朗、大贝勒代善第三子萨哈廉和第四子瓦克达俱受重伤，游击觉罗拜山、备御巴希等被射死。蒙古正白旗牛录额真博博图等也战死。后金军死伤甚多，尸填濠堑。
二十九日，后金天聪汗皇太极率军撤离宁远，退向锦州。
辽东巡抚袁崇焕欣喜地奏道：
“十年来，尽天下之兵，未尝敢与奴战，合马交锋。今始一刀一枪拼命，不知有夷之凶狠剽悍。职复凭堞大呼，分路进追，诸军忿恨此贼，一战挫之，满镇之力居多。”
皇太极攻宁远不克，又转攻锦州。
先是二十八日，当后金兵在宁远城下激战之时，锦州的明兵趁后金军主力西进、势单力弱之机，突然大开城门，蜂拥冲杀出来，攻向后金大营稍获初胜之后，迅即撤退回城。后锦州战报送到皇太极手里，他感到宁、锦前后腹背受敌，不得不迅速从宁远撤军。
六月初三日，皇太极向锦州城发起进攻。
初四日，皇太极攻城不下，遂命撤军回营。明总兵赵率教疏报：此役后金兵伤亡“不下二三千”。明镇守太监纪用奏报：“初四日，奴贼数万，蜂拥以战。我兵用火炮、火罐与矢石，打死奴贼数千，中伤数千，败回贼营，大放悲声。”
初五日，凌晨，天聪汗皇太极从锦州撤军。
初六日，辽东巡抚袁崇焕上《锦州报捷疏》言：
“……孰知皇上中兴之伟烈，师出以律，厂臣帷幄嘉谟，诸臣人人敢死。大小数十战，解围而去。诚数十年未有之武功也！”
宁锦之战，后金军攻城，明辽军坚守，凡二十五日，宁远与锦州，以全城而结局。明人谓之“宁锦大捷”，载入中国战争史册。
平台应对
熹宗崩，崇祯即位，魏忠贤被诛。朝臣纷请召袁崇焕还朝。崇祯元年（1628年）四月，崇祯任命袁崇焕兵部尚书兼右副都御史，督师蓟﹑辽，兼督登﹑莱﹑天津军务。七月袁崇焕入都，十四日崇祯帝召见平台。袁崇焕慷慨陈词，计划以五年时间恢复辽东，并疏陈方略。皇帝大喜，袁崇焕复奏掣肘，奏曰：“以臣之力治全辽有余，调众口不足。一出国门，便成万里。嫉能妒功夫岂无人？即不以权力掣臣肘，亦能以意见乱岂臣谋。”（《崇祯纪事》）二十四日崇祯赐袁崇焕尚方宝剑，便宜行事。袁崇焕疏谢并陈方略，崇祯赠蟒玉银币，袁崇焕辞蟒玉不受。
计斩岛帅
袁崇焕于崇祯二年（1629）五月二十五日自北汛口开洋出海，经大王山、风中岛、松木岛、小黑山、大黑山、猪岛、蛇岛、虾蟆岛，二十八日泊双岛。二十九日，崇焕登岛岭，谒龙王庙。当晚，毛文龙至。
六月初四，袁崇焕颁东江3575员名赏，军官每员自三两至五两，士兵每名一钱，并将饷银十万两发于东江。袁崇焕传徐旗鼓王副将谢叁将商谈。随后命令毛文龙，今后旅顺以东公文用毛文龙印，以西用袁崇焕印。又命令制定东江营制，同时命令准备收复镇江、旅顺。毛文龙均不同意。
六月初五，袁崇焕传东江各兵登岸，较射给赏。毛文龙问：“袁崇焕何日行？”袁崇焕云：“宁远重地，来日行。今邀贵镇岛山盘桓，观兵角射。”又说，“来日不能踵拜，国家海外重寄，合受余一拜。”交拜毕，登岛山。谢叁将暗传合营兵，四面密布，将文龙与随行官百余员，绕围内，兵丁截营外。袁崇焕询问毛文龙随行各官姓名，俱曰姓毛。毛文龙曰：“俱是敞户小孙。”袁崇焕曰：“岂有俱姓毛之理？似尔等如此好汉，人人可用。我宁前官兵，俸粮多于尔等，倘然不能深（饱）暖。尔等海外劳苦，每月领米一斛，且家人分食此米，言之可为痛心。尔等亦受我一拜，为国家出力，此后不愁无饷。”各官垂泣叩首。
随后对毛文龙说：“余节制四镇，严海禁者，恐天津莱登，受心腹之患。今设东江饷部，钱粮由宁远运来，亦无不便。昨与贵镇相商，必欲取道登莱。又议移镇，定营制，分旅顺东西节制。并设道厅，稽兵马钱粮，俱不见允。岂国家费许多钱粮，终置无用？余披肝沥胆，讲至三日。望尔回头是岸，谁知尔狠子野心，欺诳到底，目中无我犹可，圣夫子英武天纵，国法岂能相容？”说完，向西请命，缚毛文龙，去冠裳。毛文龙尚倔强，不肯就擒。袁崇焕又说：“尔疑我为书生，不知我乃朝廷一员大将。”随即颁布毛文龙十二条罪名，并对东江各官说：“毛文龙如此罪恶，尔等以为应杀不应杀？若我屈杀文龙，尔等就来杀我。”来官俱相对失色，叩首哀告。毛文龙语塞，叩首乞生。袁崇焕说：“尔不知国法久矣，若不杀尔，东江一块土，以非皇上有也。”请尚方剑，合水营都司赵不歧，何麟图监斩，令旗牌官张国柄执尚方剑斩毛文龙首级于帐前；又令将毛文龙首级，备好棺木安葬。围外兵丁汹汹，见袁崇焕兵严整，不敢犯。
袁崇焕又谕东江各官云：“今日斩文龙一人，以安海外兵民，乃杀人安人，尔等照旧供职，复原姓，为国报效，罪不及尔。”后分东江兵二万八千为四协，用文龙子承祚管一协，用旗鼓徐敷奏管一协。其余二协，东江各官举游击刘兴祚，副将陈继盛二员分管。将带来饷银十万，分给各岛官民，令冯旗鼓，往旅顺宣抚；又令将毛文龙将剑，东江事权，让陈继盛代管。谕毕，离岛登舟，发牌晓谕，安抚各岛军民。檄承祚偿所欠各商银两，差官查岛中冤狱，并抢来各商船只俱即发商人洪秀等。
六月初六，备祭礼，到文龙棺前拜祭。云“昨日斩尔，乃朝廷大法；今日祭尔，乃我辈私情”。遂下泪，各将官俱下泪戚叹。
六月初九，往旅顺，官军迎，宣谶毕，扬帆以归。（《袁督师计斩毛文龙始末》）