总兵姜弼和候世禄带着残兵逃回辽阳，为了掩盖自己罪责，夸张说沈阳已经失陷，川军被歼，而自己等人为了辽阳防卫，不得不保存实力撤退。
袁应泰等辽阳文武大惊，袁应泰昨天上午接到沈阳的报捷文书，说歼灭了鞑子四千人，下午，他已经飞马向京师报捷了，一天之间，沈阳怎么会就丢了哪？但接着，朱万良也逃到辽阳，说鞑虏势大，不可遏制。
袁应泰轻信了他们的鬼话，急令奉集、咸宁各军撤退，全力守辽阳，并引水注入城河，沿河排列大炮，兵士环城守卫。
二十日，东虏兵临城下，袁应泰亲自督率总兵官侯世禄、李秉成、梁仲善、姜弼、朱万良出城五里迎战。
努尔哈赤吸取了沈阳城下的教训，将八旗的队列进行了重新部署，最前排是盾车，用来遮挡明军的炮弹、枪弹和箭矢。第二排是弓箭手，第三排是无数的小推车，车上装满泥土，用来填平城壕。
最后一排是铁骑兵，人与马都挂重甲，而且，铁骑兵出击的时机很有讲究，专等明军开炮、开枪之后，从两翼杀出，冲向明军阵营，明军来不及装填炮药、枪药，火器的优势大打折扣。
明军抵挡不住八旗轮番进攻，侯世禄、李秉成、梁仲善等不等经略命令，率先逃跑，当天，明军大败，死伤甚多。
翌日，后金军掘开城西闸门排除城壕内积水，又派兵守住城东水口，渡城河大呼而到城下，双方鏖战很久，最后明军再度战败，战败的明军向城外奔去，有的被淹死，有的被后金骑兵杀死，伤亡惨重。
当晚，监军高出、胡应栋等文官翻城墙向西逃走，辽阳人心离散。
后一日，金军又攻城，袁应泰和总兵陈策、童仲揆督率军士持盾牌大战，又败阵。傍晚，城内北虏和东虏细作点着更楼，引后金军从小西门进城，城中大乱，浙军英勇作战到黎明，包括两名总兵在内，全部战死。
袁应泰在城楼上见此情况，知道大势已去无法挽回，对巡按张铨叹息说：“公无守城责，宜急去，吾死于此。”说罢就佩了剑、印自缢而死。
张铨不肯：“张铨是血性男子，不肯死于人后。”亦挥剑自刎。
埋伏在城内火神庙塔楼上的锐勇营两名狙击手，见城池已失，按着参将大人吩咐，对着兵仗局火药库开火，火药库剧烈爆炸，将兵仗局炸毁。然后他们一行十人趁乱混出城去，回到沈阳。
天明，辽阳这座辽东镇城落到了女真手里。
得到消息的沈阳众将惊骇不已，苏杭叹息，袁应泰太愚蠢了，蠢的连自知之明都没有，如果他不出城迎战，而是固守城池，鞑子攻不下辽阳沈阳，就是占据了奉集堡和虎皮驿，最后也不得不离开。
袁应泰自从担任辽东经略以来，他的行为简直让人看不懂，这个治水的能吏上任后，就像脑子也进了水一样。
先是放纵武将、败坏军纪，接着纳降北虏和东虏细作与城内，最后，不固守坚城，而是领兵与鞑子野战，一系列行为简直让人怀疑，怀疑他是后金的奸细。
这当然是不可能的，但如果反过来想，一切才说的通啊。