宁远战役胜利结束以后，袁崇焕就预料金军必然还要再来进攻，而且进攻一定攻锦州和宁远。事情的发展正如他所料。
天启七年（1627）三月，皇太极知道锦州等三城已着手修筑，惟恐三城修好，明军可以凭险固守，并继续东进。
于是就在这一年五月带领部队进攻明军，想要破坏宁锦防线，攻破山海关，进而直取蓟州，威胁北京。当时锦州城已经修好，总兵赵率教等率领3万人守城。皇太极在五月二十日开始进攻锦州。
袁崇焕在宁远听到锦州被攻的消息，立即派人通知赵率教坚守待援，并且说明城中火器兵马俱备，只要加意防守，敌人决不能攻下。同时上疏说明敌人冒暑深入，其势定不能持久，只要派疑兵出击四处，进行牵制和骚扰，使敌人既不能攻下锦州，又怕后方受到攻击，就必然会被迫后退。他派尤世禄、祖大寿率领精锐骑兵4000人绕到敌后作战；又调集水师由海道向东出发，牵制敌人的后方；同时，还要加强宁远的守卫。刚好这时有一部分蒙古兵来协助守边，袁崇焕就叫王喇嘛率领他们在锦州附近插上军旗，以助声威。
金兵进攻锦州的时候，赵率教一面假意同他们谈和，以待援兵；一方面积极布置城防，准备抵抗。皇太极也一面和明监军太监纪用谈判，向守军进行诱降；一面猛攻城的西边，截断明军退路。城上守军从三面集中来援，大炮矢石齐下，金兵伤亡很重，不得不向后撤退，到离城5里处扎营。皇太极一面调沈阳的金兵增援，一面又三次遣使议和。明军也继续施行缓兵计，教他们到锦州来面议。等到皇太极派使者来到锦州城下时，却又闭门不让其入内。第二天，明军派了一个守备、一个千总去说：昨天因为夜里黑暗，不便开城，今天白天可来面议。但等到第二次使者再来，明军还是闭着城门，赵率教站在城上说：“胜败无常，我们只听天命！”始终不肯开城与金谈判。皇太极想了许多办法，引诱明军出战，赵率教只是置之不理。皇太极也无可奈何，只好再行攻城，但还是攻不下来。从金兵开始进攻，一直到六月退兵，双方在锦州边打边谈，经过3次大战，25次小战，金军始终没有能够把锦州城攻破，反而被打死了几千人。
金兵见一时攻锦州不下，又怕明军绕出自己的后路，于是就在明将尤世禄等尚未从宁远出发袭扰自己的后防时，于五月二十八日由锦州分出一部分兵力由皇太极亲自率领进攻宁远，在城北岗扎营。袁崇焕和副使毕自肃登城固守，把营寨扎在城濠内，城上四周环列着枪炮。总兵满桂等在宁远城东二里列阵，同城上互为犄角。金军想进攻满桂的阵地，但怕逼近城垣，受到城上大炮的轰击，就假装后退，引诱明军出击。明军知道这是敌人的诡计，坚守壁垒，不肯出击。皇太极毫无办法，准备下攻击令，金将代善、阿敏、莽古尔泰等接受上次在宁远城下的教训，齐声劝阻。皇太极说：“过去父亲（指努尔哈赤）攻宁远没有攻下，这次我攻锦州又没有攻下，都因为攻城比较困难。现在碰到宁远城下的野战军，假如再不能取胜，岂不有损国威，被人轻视！”就不听劝阻，挥兵进攻宁远城。满桂等见金兵来攻，就在城下和金军展开大战，双方互有伤亡，满桂中箭负伤。鏖战一阵以后，明军为了引诱敌人，退入城内，等金兵追到火炮射程以内时，就用西洋大炮向金军猛烈开火。金军死伤很多，努尔哈赤的侄子济尔哈朗、孙子萨哈刺等都受了伤。袁崇焕此时就在城头上大声呼喊，命令诸将分路追击。诸将听到袁崇焕亲自下令，个个奋勇争先，带领部下向金军猛杀过去，使金兵大受挫折。皇太极没有办法，只好下令退兵。后来，他想，在宁远城下和袁崇焕对阵，不可能捞到什么便宜，弄不好还会重蹈过去的覆辙，就率领部队回到锦州，与留在那里的金军会合，一齐猛攻锦州城南。可是因为锦州城濠深阔，又值天气酷热，攻了几次也没有攻下，反被城里明军用西洋大炮、火炮、矢石杀伤大量士兵。这样一来，就使皇太极处于进退维谷的境地。最后，不得不在六月初五日全部撤退。撤退时，把明军暂时放弃了的尚未修复的大小凌河等城全部毁掉。宁锦保卫战至此就以明军的全面胜利而告结束。当时人们称这次胜利为“宁锦大捷”。
锦州被攻以后，袁崇焕曾向朝廷送上《奏报宁锦情形疏》。疏中分析了明军作战的有利条件和不利条件，说明野战是金军所长，明军不宜在野外邀击，只宜凭城坚守，以大炮轰击。目前锦州已击死金兵数千，如果武器粮食充足，即使敌人再次围困也不成问题，但恐怕后金反客为主，从沈阳出兵轮流阻击明朝援军，长期围困锦州守军，那才是难以对付的。因此，根本的问题是提高军队的野外作战能力。袁崇焕此番话语可以说是知己知彼，熟谙军情。后来，清兵在1642年就是采用这种办法把锦州攻下的，这就说明了袁崇焕是有军事上的远见卓识。由于他早已看到明军的弱点，所以一直注意加强军队的野战训练。因此，此次战役与上次宁远保卫战的情况就有所不同。自明朝与后金开战以来，虽有宁远大捷，却未曾敢与后金“合马交锋”。袁崇焕在《宁远报捷疏》中曾说：“十年来，尽天下之兵，未尝敢合马交锋。即去年亦从城上而攻城下，今始一刀一枪，下而拼命，臣复凭堞大呼，令分路追击，诸将忿恨，一战挫之。”由此可见，在袁崇焕平时的训练和战时的鼓励下，明军的野战能力和作战勇气，较过去大大地提高了。这标志着明朝的防御战争进入了一个新的阶段，开始从消极的缨城固守，转为刀枪相见的积极抵抗。这次大捷更加增强了广大军民保卫关外、恢复失地的信心，也充分显示出宁锦防线坚强有力的抵抗作用。
这一次战役，历时一个月，金军攻城不下，野战不胜，受到极大挫伤。正如皇太极所说“损了国威”。这是明军十年以来，从未有过的大捷。这也充分说明了只要有正确的领导，明军是能够把金军打败的。
经过这一次战役，这一条重新建立起来而又经过考验的宁锦防线，就成为明朝东北边疆上的一道坚固的屏障，使金军无法越雷池一步。如果袁崇焕长期负责东北边防，那么，逐步收回失土，恢复辽东是有可能的。但是这时正是阉党势力达到最高峰的时候，魏忠贤一向恨袁崇焕不肯依附自己，实在不愿意让他长时间地在此要职上就任。过去，因为边防吃紧，不能不利用他一下，现在看到连续取得两次胜利，边疆形势稍微巩固了一些，就开始排挤他了。在宁锦大捷以后，魏忠贤等加恩三等，甚至3岁的魏良栋、2岁的魏鹏翼也封侯封伯。而宁锦大捷居首功者袁崇焕因一向“不为魏忠贤所喜”，而没有被叙功封赏。不但没有被叙功封赏，还被魏忠贤的党羽御史刘应坤弹劾，诬蔑他不救锦州，是因为“暮气难鼓”。袁崇焕听到这个消息，知道自己是非走不可了，于是不得不乞休辞职，称病请求退休，丢下了他花了无数心血建立起来的宁锦防线，离开6年来一直用心守护着的东北边疆，七月里踏上归家之路。他在辞别辽东时所作的《边中送别》一诗（见前），寥寥数语倾吐了他杀敌雪耻，一心报国的高尚情怀，表现了他处处以国事为重，并不计较个人得失的高风亮节的情操。
他此时的心情是十分痛苦的。因为他的事业还没有完成，失土还没有恢复，国耻还没有洗雪，然而却又不能不走。此种矛盾的心理，也反映在他的一些诗中。当他回到家乡，经过庾岭时，曾作诗说：
功名劳十载，心迹渐依违。
忍说还山是，难言出塞非。
主恩天地重，臣遇古今稀。
数卷封章外，浑然旧日归。
在这首诗中，他明白说出自己不得已而还山的苦衷。同时表示他并不追悔过去以身许国、立功塞外的行动。由此可见，即使在被排挤以后，他仍旧忘怀不了边防事宜。从结尾二句还可以看出他虽然曾任封疆大吏，但是宦囊萧索，两袖清风。除数卷封章以外，依然书生本色。跟上次落第归来，初无二致。
袁崇焕离去后，阉党仍以王之臣为督师兼辽东巡抚。这个逃跑主义者到此时居然还学高第的做法，撤去锦州的守备，专守宁远，把袁崇焕和广大军民用血汗换回的疆土，再次拱手让与敌人。结果，锦州城竟被金军毁去，幸亏不久，熹宗死了，思宗即位，袁崇焕再被起用，才把锦州第二次收复过来，并且把城重新筑好。
宁锦防线得人则存，失人则亡。说明边防将帅是否得人，极关重要。否则，即使有了物质上的长城，也只能拱手与人，为敌人所利用。
