满清看出了明朝的虚实，知道高经略无用，袁崇焕无人支持，于天启六年正月大举渡辽河攻宁远，兵十三万（在这几年中，清军的实力已扩充了一倍），号称二十万。二十三日攻抵宁远。大敌终于攻来了。朝廷荒唐，主帅荒谬，援军是一定不会有的。那怎么办？
弃城而退是服从主帅命令；守城罢，宁远一城孤军，怎能挡满清的倾国之师？在这紧急关头，袁崇焕奋发了英雄之气，决意抗敌。他和大将满桂、副将左辅、朱梅，参将祖大寿、何可纲等，集将士誓死守城。袁崇焕刺出自己鲜血，写成文告，让将士传阅，更向士卒下拜，激以忠义。全军上下在他的激励下人人热血沸腾，决心死战。
他又下令前屯守将赵率教、山海关守将杨麒，凡是宁远有兵将逃回来，一概抓住斩首。山海关有他的上司辽东经略高第镇守，袁崇焕的职权本来只能管到宁远和前屯，山海关总兵杨麒他是管不着的。但这时还管他甚么上司不上司，职权不职权，“x他妈，顶硬上，几大就几大！”
（淞沪之战时，十九路军广东兵守上海，抗御日军侵略，当时“x他妈，顶硬上”的广东三字经，在江南一带赢得了人民的热烈崇敬。因为大家都说：广东兵一骂“x他妈！”就挺枪冲锋，向日军杀去了。）
他母亲和妻子这时也在辽西，大概住在山海关或前屯卫后方。他将母亲和妻子都搬到宁远城中来祝全家和宁远共存亡的决心，表现得再清楚也没有了。
二十四日，清兵到达城下。袁崇焕初次见到“辫子兵”的威猛。清兵都有辫子，在那时，汉人只要听到“辫子兵”三字，不由自主的就胆战心惊，直到十余年后仍是如此。李自成部下都是身经百战的悍将健卒，席卷而东，攻破北京，在山海关前的一片石和吴三桂部大战时，丝毫不落下风。但清兵突然出现，李自成军中响起“辫子兵来了！辫子兵来了！”的惊呼，二十万大军就此全军大溃，一败涂地。李自成逃出北京，向西急窜，“大顺”朝终于覆灭。在那时候，“辫子兵”就是“无敌雄师”的代名词。袁崇焕并不是比李自成更会打仗，他部下的兵将也并不更为勇猛。但他更加镇定，更加坚决，他没有个人的自私欲望，不像李自成那样想做皇帝。真所谓“无欲则刚”，所以他比李自成更刚强。他是“x他妈，顶硬上
”的英雄。
但他部下的兵将不是广东人，主要是辽河两岸的关外健儿，其他各省的都有。只因为主帅有“顶硬上”的英锐之气，部属也都跟着他“顶硬上”了。
这时宁远守兵约一万，而清兵有十三万。向来明清交战，总是明兵多而清兵少，这次却众寡易势，大军都在经略高第手中。高第全军据守山海关，果然并不派兵来救。努尔哈赤先分遣部队绕过宁远，在城南五里处切断了通向山海关的大路，然后放几名俘虏来的汉人去宁远向袁崇焕传话：“我这次带了二十万大军来攻，宁远非破不可。守城官如投降，我一定大加优待，封为大官。”袁崇焕回答说：“你突然领兵来攻，那是甚么道理？锦州与宁远两城，你本来已经占领，又再放弃。我修筑好了来住，自然要死守，怎肯投降？你说有二十万兵，未免夸大。你真正的兵力大约是十三万，我倒也不以为来兵太少了。”
努尔哈赤于是大举攻城。
当时朝鲜使者带同翻译官韩瑗去北京朝见皇帝，刚到达宁远。袁崇焕很高兴的招待使节及其随从。朝鲜使节见守军甚是镇定，暗暗感到奇怪。袁崇焕和三数幕僚闲谈，及报清兵攻到，袁崇焕乘轿至战楼，又与韩瑗等谈古论今，泰然自若，全无忧色。过了不久，忽听得一声大炮，声动天地。韩瑗大惊，只吓得低下了头抬不起来。袁崇焕笑道：“贼兵来了！”打开城头敌楼的窗子，向外望去，只见清兵蔽野而来。城中却声息全无。成千成万的辫子兵冲到了城边，突然之间，城头举起千千万万火把，矢石如雨般投下城去。战事越来越激烈，明军忽然从城头的每一个石堞间推出一个又长又大的木柜，这些大木柜一半在堞内，一半探出城外，大柜中伏有甲士，俯身射箭投石，投完了便将大本柜拉进来，再装矢石出去投掷。跟着地雷爆发，土石飞扬，无数清兵和马匹被震上半空。攻城清兵的先锋部队是铁甲军，每人身上都披两层铁甲，称为“铁头子”。清兵以坚车攻城，车顶以生牛皮蒙住，矢石不能伤。城内架起西洋大炮十一门，在城头轮流轰击，每一炮打出去，破坏杀伤及于数里。
清兵奋勇迫近，推了铁裹车猛撞城墙，声音轰隆轰隆，势道惊人，撞击了很久，城墙撞破的地方很多。清兵再用像云梯那样的裹铁高车来撞击城墙高处。随后又把裹铁车推到城墙边，上面用木板遮住，以挡城头投下的矢石，车里藏了兵士，用铁锹挖掘城墙墙脚。
清兵攻进了城墙下的死角，大炮已打他们不到。在这危急之时，守军想到了计策，抬了屋子前的长条大阶沿石从城上投下去。阶石十分沉重，铁车上的木板挡不住，压死了不少清兵。
攻城时候经历很久，城基被清兵挖成了一个个凹龛，清兵躲在城墙洞内向里挖掘，城上再投大石下去，就打不到了。这时宁远四周十余里的城墙墙脚已被挖得千孔百疮，眼看城破在即，满城百姓惊惶得很，都抱怨说：“袁爷为了他自己一人，害死了我们满城百姓。”
大家正在彷徨无策之时，通判金启□（浙江人）临时想出了几件新式武器，将火药撒在芦花褥子和被单上，纷纷投到城下去。他将这件新式武器取名为“万人敌”。当时是正月，气候酷寒，攻城清兵见到被褥，就都来抢夺，城上将火箭、硝磺等引火物投下去，“万人敌
”立即燃烧，烧死了无数清兵。另有一种“万人敌”是将火药放在空心的大泥团中，外面围以木框，点燃了药引投下城去，泥团不断旋转喷火，烧死敌兵。那位通判在赶制“万人敌”
之时，火药碰到火星，不幸被烧死了。