后金打败朝鲜，取得“丁卯之役”的胜利，迫使朝鲜结为兄弟之盟，从而政治上摆脱了孤立的困境，经济上冲破了禁运封锁，军事上粉碎了明军的包围，于是立即把进攻的矛头由朝鲜转向明朝，关外重镇宁远成为打击的主要目标。

天聪元年（明天启七年，1627年）五月六日，皇太极以明人于锦州、大凌河、小凌河等地筑城屯田，没有议和诚意，威胁后金安全为由，亲自统率五万大军攻明，挥兵宁远，期在必克，以洗其父努尔哈赤兵败宁远之耻。九日，后金兵行抵广宁（今辽宁省北镇）旧边分为三队，命济尔哈朗、德格类等率精骑先行，皇太极统大军居中，令攻诚诸将，率绵甲军，携云梯盾牌跟役，驼只后行，日夜兼程，向前推进。

十一日，皇太极率四旗，进攻大凌河一带，驻守大、小凌河的明军皆弃城遁走，后金兵如入无人之地，当天便抵达锦州城下。明驻守锦州总兵赵率教、左辅及监军太监纪用等，闻知皇太极率领后金后来攻，便把临近城堡的守军和粮食皆迁至城内，实行坚壁清野。皇太极在城外驻营，遂围其城，见明军有备，凭城固守，即遣使劝降。赵率教、纪用想拖延时间，“欲缓师以待救”，于是遣守备、千总各一人，十二日凌晨缒城而下，赴金营议和。皇太极见来人，盛气怒目说：“此我家地方，尔等在此修城何为？”又言：“尔欲降则降，欲战则战”，拒绝议和谈判，命二人回城，并带致赵、纪二人书。

赵率教、纪用等拒绝献城投降，对皇太极答覆说：“城可攻，不可说也。”因此，皇太极命令“建州兵分两路抬拽车梯挨牌，马步更番进攻西北二隅”。赵率教同总兵左辅、副总兵朱梅等，率领全城军民英勇奋战，“力督各营将领并力射打，炮火矢石交下如雨，自辰至戌，打死敌尸填塞满地。至夜，拖抬死尸，退兵五里，西南下营”。

皇太极见攻城受阻后，一面派人回沈阳调援兵，一面遣使往锦州招抚。十五日，他命绥占、刘兴治前往，到锦州城下，赵率教闭城不纳，忿忿而归。十六日，赵率教等人又行缓兵计，派人出城赴金营，“言昨因夜晦，未便开城延入，今可于日间来议，所需诸物自当先与，至和好之事，俟退兵后，奏知朝廷再议”。皇太极复命绥占、刘兴治偕来人前往锦州，进行议和谈判。

此时，赵率教等感到此事不妥，怕引朝廷怪罪，所以又下令不许金使入城，他立城上对绥占、刘兴治二人说：“胜败岂有常乎，总之听天而已，汝若退兵，我国自有赏赍。”仍令其使随同绥、刘二人重返金营，再次要求后金退兵。皇太极对来使说：“尔敢援天出大言乎，我惟上天所命，是以沈阳、辽东、广宁三处，俱属于我，若尔果勇猛，何不出城决战。乃如野獾入穴，藏匿首尾，狂嗥自得，以为莫能谁何，不知猎人锹鑺一加，如探囊中物耳。想尔闻有援兵之信，故出此矜夸之言，夫援兵之来，岂惟尔等知之，我亦闻知矣。我今驻军于此，岂仅为围此一城，正欲俟国救援，兵众齐集，我可聚而歼之。”由上可见，双方使臣往返不绝，实际上都是在争取时间，期待援兵到来。

袁崇焕深知此次后金兵犯明，主攻目标是宁远城，因为八旗兵善于骑射野战，如果从宁远发兵援锦，则以短击长，必遭兵败，况且城内防御力量减弱，有可能被攻破。所以，他认为“宁远兵不可动”，不然“正堕其计”，故请求朝廷另“发奇兵逼之”。明廷接受了他的意见，命山海关总兵满桂率军救援锦州，另外又调山东明军由海上支援。袁崇焕为了鼓励和增强锦州军民守城的信心和决心，派人致书赵率教、纪用等，告知明廷的援锦计划，“内有调集水师援兵六七万，将至山海。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。我不时进兵，锦州城中，火器俱备，兵马甚多，如加意防守，何能攻克。若遣使来，须亲书以防意外等语”。此书被后金兵截取，皇太极“尽得其援兵之信”，知道将有大量明军来解锦州之围，到那时对己不利，因此想在明援军未到之前，占领锦州，再攻宁远。十七日，皇太极移军距锦州城西二里驻营，加紧对锦州守军的劝降工作。十八日，他命射书入锦州城中。

到了二十五日，皇太极见固山额真博尔晋、图尔格等，率领沈阳援兵到达锦州城下，本想下令攻城，但是又考虑到锦州城坚兵盛，一时不易攻占，况且这次征明主攻目标是宁远，而不是锦州，如果在此念战日久，一旦明援军来到，那时要攻占宁远就更加困难了，相反若是占领宁远，锦州则不攻自破，轻易可取。因此，二十七日，皇太极突然决定放弃攻打锦州，只命觉罗拜山、巴希等率领少数人马监视锦州，而亲统大军南下进攻宁远。

二十八日黎明，皇太极率领后金兵驰至宁远北岗。袁崇焕早有准备，沉着应战，命监军刘应坤、副使毕自肃，“督将士登陴守，列营濠内，用炮距击”。派总兵孙祖寿、副将许定国在西门扎营。又遣人在北门掘壕，以车为营，列火器为守御。并令副将尤世威、参将彭簪古严整火器，准备迎战。此时，总兵满桂从山海关率领一万援军到达宁远，在城东二里，列阵于南，协助守城。

皇太极见明军沿城环列枪炮，“因其地，逼近城垣，难以尽力纵击”，为了引诱明军出城野战，“于是退军，山冈、环视明兵”，可是明军不为所诱，“按军不前”。皇太极见此计不成，欲率军攻城。这时大贝勒代善、二贝勒阿敏、三贝勒莽古尔泰三人，对一年前先汗努尔哈赤兵败宁远，记忆犹新，“皆以距城近，不可攻，愿上勿进，劝甚力”。皇太极不同意，认为“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！”于是，他率领贝勒阿济格，与诸将侍卫护军等，疾驰进击，猛烈攻城。

后金兵首先遭到宁远城外的明军奋力抗击，明车营都司李春华等，用“红夷”、“木龙虎”、“灭虏”等火器，“济力攻打”，后金兵死伤“约有数干，尸横满地”。接着尤世威等率领明军，冲入敌阵，奋勇砍杀。此时满桂也率领步骑，投入战斗，向后金兵发射火炮，双方战斗十分激烈。满桂身先士卒，拼命厮杀，身中数箭，尤世威的坐骑亦被射伤，但后金兵伤亡更为惨重。

皇太极为了攻占宁远，亲率大军攻城，后金兵在板车厚盾的掩护下，发动一次又一次的攻城战。宁远守将袁崇焕在城上，镇定自若，指挥红夷大炮向后金兵袭击，把皇太极的大帐炸毁，贝勒济尔哈朗、萨哈廉、瓦克达俱受重伤。皇太极“督兵攻城，抵暮死者益众，乃撤兵归”，退至双树铺驻营。

锦州守将赵率教、纪用等，得知皇太极统率大军去攻打宁远，留在锦州城外的后金兵不多，为了牵制后金兵，以减少宁远的压力，就在皇太极下令攻打宁远的同一天，赵率数等率明军出城，向宁远进发，便遭到留下的觉罗拜山、备御巴希带领的后金军阻击，双方展开激战，觉罗拜山、备御巴希为明军杀死，后金兵大部分被歼，因此进攻宁远的后金兵受到锦州明军的威胁。

二十九日，皇太极见宁远城久攻不下，监视锦州的后金兵败，拜山、巴希二将被杀，整个形势对自己不利，而且后金兵伤亡惨重，实际上现已处在宁、锦之间，腹背受敌，归路被截。所以，他不敢久留，决定不攻宁远，挥军北上。

三十日，皇太极率军至锦州，占领骆驼、大兴等堡。六月三日，他不甘心失败，想在锦州挽回一些面子，于是命列八旗梯牌及所有攻城器具，并亲自乘骑观察地势，准备再次攻打锦州，企图一举夺取此城。四日清晨，皇太极命后金兵向锦州城南面发动猛烈进攻，锦州守将赵率教等指挥明军用红夷大炮和各种火箭不断射击，迫使后金兵无法接近城下。皇太极临阵督战，发动多次强攻，皆为明军火炮击退，战斗一直进行到傍晚，后金兵伤亡很大。

这时，皇太极“因城壕深阔，难以骤拔，时值褥暑，天气炎蒸”，便下令停止攻城，决定回师。五日，皇太极率领残兵败将离开锦州，途中拆毁大、小凌河二城，一路忧心忡忡，十二日回到沈阳。

这是明军继“宁远大捷”后，再次取得“宁锦大捷”，也是明军在关外战胜后金军的第二次重大胜利，具有深刻的社会影响。明兵部题曰：“今宁远城下之一战，横尸遍野，锦州城之攻，大败归营，两处捷音，先后踵至。……此二捷之后，贼气已阻，我气愈张。”而皇太极吸取前后两次惨败的教训，认为：“彼山海关、锦州防守甚坚，徒劳我师，攻之何益？”于是放弃了攻打宁、锦，打开山海关，进逼京师的作战方针。但是，皇太极深深认识到两次兵败宁远，不是八旗兵战斗力软弱，而都是明军火炮所致，指出“野地浪战，南朝万万不能，婴城固守，我国每每弗下”，“屡屡出征，屡屡不能长驱”，其因是以刀矛弓箭等冷兵器，要想攻破有火炮设防的坚固城池是不容易的。所以，他也要倚重火炮的威力，加强后金兵的攻坚作战的能力，于是开始铸炮。

天聪五年（1631年），命汉官佟养性为督造，带领一批明降军中的军官和炮匠，如王天相、祝世荫、丁启明、窦守位、刘计平、金世昌等人，铸造红夷大炮，制成后赐名为“天祐助威大将军”。这年八月，皇太极率军携大炮攻占大凌河城，“用‘大将军’力也，自后师行必携之”。从此后金军使用火炮，大大增强了攻坚力量，这在后金战胜明朝、建立清王朝的作战中起了重要作用。