当晚，努尔哈赤在消灭了两支明军之后，统领着得胜的八旗健儿，分兵为四营，进抵辽阳城下。
他命令：右翼四旗兵马围攻东西城，左翼四旗兵马围攻城，双方在辽阳城的小西门，首先展开了争夺战。
三月二十日早晨，袁应泰置守城任务于不顾，亲自带领数千虎旅军，冲出辽阳的平夷门，即辽阳的东城门，扎营于辽阳城外的东山上，决心与后金兵马拼个鱼死网破！
这虎旅军，是以袁应泰的家丁、亲兵为主，组成的一支能征惯战的队伍，士兵中有不少的人都有着精湛的武功，有万夫不当之勇。
袁应泰带着一腔怨气，想用这支队伍狠狠地击杀努尔哈赤的狂傲气焰，打败八旗士兵，为自己伸张一身的正气给张钧他们看看！
袁经略将其数千精兵，分开扎营为三，并且部列三层火炮，准备与后金兵马拼杀一场，用以牵制努尔哈赤攻打辽阳城的兵力。
可是努尔哈赤依仗兵马众多，一方面命令左右各四旗兵马攻城，一边不断地抽调兵力，与东山袁经略的虎旅军进行野战。
努尔哈赤先是派出红护军——即红旗军中的护卫兵卒，精卒二百名，对东山的明营进行冲击。谁知这二百名红护军未到阵前，便被袁应泰的炮火炸死了，还剩几个旗兵跑回去报信了。
努尔哈赤一生气，立即派出红旗军一千名冲击东山虎旅营。这一次一千红旗军冒着炮火冲到阵前时，只剩六百余名，被明军炮火打死三分之一。
两次失败，使努尔哈赤十分生气，他连续派兵冲击，不给东山虎旅营一点喘息工夫。最后，努尔哈赤亲自指挥两黄旗兵马，把东山虎旅营包围起来，一边用弓弩手在前掩护，一边派铁骑进行轮番冲击，后面又派一支白护军（白旗军中的精卒）相助。
尽管虎旅营用炮火还击，炸死许多旗兵，可一万多旗兵以席卷之势扑来，虎旅营奋力拼搏，终因势单人少，抵挡不住两黄旗的冲击，渐战渐退，导致溃败。
在炮火掩护下，袁应泰带着残余的虎旅营明军，一起逃回城里。许多士兵忙着过护城河时，由于后金在后面追杀厉害，有的被弓箭射死，有的掉在护城河里淹死了。
辽阳城里巡抚张钧见袁应泰逃回城里，忙去慰问，并向他表示歉意。
于是，袁应泰负责东门、南门；张钧负责北门与西门的守卫。
再说努尔哈赤的右翼兵马，攻打辽阳城东门时，那些八旗兵用毡被蒙着头，推着战车，让旗兵躲在车厢里，后面跟着铁骑兵，穿着盔甲的步兵抬着云梯，拿着爬山虎等，往城下迅速前进。
明军在城头燃放大炮，火箭，连炸带烧，旗兵死伤甚多，未到城下，人便炸死。城下的护城壕沟，水面宽，而且水深一丈有余，人马掉下去多被淹死，给攻城带来很大的困难，为此，努尔哈赤十分伤脑筋。
回到营帐里，努尔哈赤当机立断，命令四贝勒皇太极领着自己所辖的正兰旗兵马，指挥旗兵运土堵塞水口。
不久，各旗又呐喊着，开始攻城了，数万旗兵，有的顶着木板，有的披着棉被，向城下跑去，有许多旗兵抬着云梯，走在中途被城上炮弹炸死了，被礌石、滚木打死了，后面的旗兵又上去抬着继续前进，一个接着一个，一批随着一批，真是勇不可挡。努尔哈赤站在高处，看着他亲手缔造并建立起来的八旗军队，不忍再让他们去轻意地送死，便命令暂停攻城等着内应李小芳打开城门。
原来，李小芳和高大宏二人准备在三月二十日的夜间，先把城里士兵营房点着火，再把草料场烧着，城上士兵必然要来一部分救火，趁此混乱，占领小西门，然后打开城门。不料，这两处全由巡抚张钧管辖，此人办事认真，看管严密，很难有下手的机会。
另外，沈阳城里曾出现后金谍报人员打开城门之事，张钧多次在守城士兵中扬言了，一旦发现可疑的人上城，可以先杀后报，并以奖赏，如此一来，守兵们警惕性也提高了，责任心也加强了。
所以原定三月十九日夜间行动的计划，只得往后推了，二人约好在此见面，重新计划。
这高大宏是辽阳首府里的书记官，为人谨慎、勤恳，硬是被李小芳一手拉进后金的谍报组织。如今，他见后金努尔哈赤确实势力强大，明朝灭亡已是不可避免了，于是也就死心踏地跟着李小芳干了。
经过商讨，他们决定让唐老虎找来两个处女献给火药库的守将吕宝良。
唐老虎是辽阳城里的一霸，地痞流氓，小偷乞丐，全与他有瓜葛，他是头儿。
第二天中午，唐老虎满面春风地领着一个三轮车进到院子里，车一停下，走出来两个袅袅婷婷的少女，长得仙女似的。
这两个美丽的少女，一个叫大红，十六岁，一个叫小妹，十五岁。
吕保良虽然长得一脸横肉，满身黑得像个泥鳅似的，却腰缠万贯，是个好色的恶魔，专喜欢处女。
高大宏心里说这事已经办妥，便让李小芳赶快联络人，准备夜里就行动的事，这一天正是三月二十一日。
努尔哈赤正攻城受阻，便接到了李小芳送来的消息。于是，他便下命令夺取小西门桥。
三贝勒莽古尔泰、二贝勒阿敏便领着旗兵拼命夺桥，城上礌石滚下，万矢下射，旗兵冒死前进，双方混战一场。
突然之间，“轰！轰！轰！”几声爆炸，西门的火药库燃起冲天大火。
城上的将士正不知城内发生什么大事时，高大宏与李小芳趁着混乱，领着一千多人，手里拿着刀枪，急匆匆奔到西门城上。
卢庆州等将领迎上来，高大宏便立即把他们全都拿下。
那些明朝的守军，见主将有的逃跑，有的被逮，只得老老实实放下了兵器，投降了。
李永芳指挥随行人员，打开一面很长很长的条幅，往城外顺着墙体挂出去了，上书：
“恭迎后金国汗王努尔哈赤进城！”
与此同时，高大宏急忙领着数百人，手执兵器，赶下城头，把守门士兵包围起来，一阵砍杀，全部消灭，然后立即打开城门。
努尔哈赤一听到城内爆炸声响，便知道李小芳等一定得手了，便立即命令各贝勒整装待发，一见城门大开时，便可冲进城去！
不一会儿，听到西门城上人声鼎沸，混乱了一会儿，便看到了城墙上悬挂着的大横幅。
后金的兵马立即爆出了山呼一般的喊声，努尔哈赤欣喜万分。
此时，西门一打开，攻城的阿敏、莽古尔泰急忙领着八旗兵马冲进城去。
辽东经略袁应泰，这时正在辽阳城东北角的镇远楼督战，见到辽阳城终被攻破，知道大事已去，急忙写下遗书，交给亲兵，嘱咐他们逃城去。
此时，楼外呐喊声，喊杀声，由远及近，袁应泰把那印玺往身上挂好，向西朝着朝廷，又叩头拜辞，然后解下带子，悬梁自缢而死。
监军崔儒秀、巡抚张钧等，也西望朝廷，拜了又拜，然后解带自缢而死。
这时候，后金汗王努尔哈赤命令各贝勒、大臣们，立刻搜查明朝主将，以免留下祸患。
一队旗兵涌进镇远楼，见到几个主将全都挂到梁上，便急急忙忙把他们一个一个地解将下来，并抬到努尔哈赤面前。
谁知那巡抚张钧的眼睛一动，居然睁开了双眼，活了。
原来，张钧是最后一个自缢，刚挂上不久，旗兵便进去把他们一个个解了下来。折腾了这么一大会儿，竟然他又缓过气来，死而复生了。张钧睁开眼睛，仿佛是刚才坐了一个梦，向上一看，见椅子上面坐着一个威风凛凛的老头儿，见他身后和两边都有许多将领护卫着。
他已经惭惭清醒了，知道这人正是后金国的汗王努尔哈赤。
为了笼络汉人民心，吸引更多的明臣、明将降服后金，壮大自己的声势，努尔哈赤饶他不死，并让侍卫好好照顾他的生活。
回到住地，张钧自缢而死。
之后，努尔哈赤又命令李永芳等，用上等的棺木埋葬了袁应泰、张钧等明朝的官员将领。
后金夺取辽沈之后，努尔哈赤不再让士兵毁弃城池，而是把它们当作继续前进的基地。
努尔哈赤攻破辽阳城之后，于三月二十二日举行盛大的入城式。
在一声声礼炮鸣响声中，努尔哈赤不再骑马，换乘一顶轿子，进了辽阳城。原来的辽东经略衙门，成为这位新主人——后金国汗王努尔哈赤的临时行宫。
努尔哈赤刚坐下不久，便有辽南的金州、海州、复州、盖州等大小七十余城，主动投顺后金。努尔哈赤心中大喜。
顿时，后金广大军民沉浸在胜利的欢乐中。
整个辽沈之战，从明朝天启元年（1621年，天命六年）三月十日开始，到三月二十一日，加上中间休战的五天，仅用了十来天的时间，努尔哈赤在军事上获得空前巨大的胜利，这在后金的发展史上具有划时代的意义。
汗王努尔哈赤志得意满，无比振奋，他命令在辽阳城里要举行盛大庆典，设宴招待为他建立功勋的诸贝勒、大臣和将领们。
席间，人们频频举杯，祝贺胜利。
努尔哈赤对夺占辽沈并不满足，他把远大的目光又投向广阔的辽西地区。
当八旗将士兴高采烈地接受战利品之时，努尔哈赤又在运筹着夺取辽西的重镇——广宁的准备工作。
这广宁城在辽河西岸，为山水环抱，形势若盘，俗谓之盘城，恃三岔河作屏阻，是明朝丢失辽阳之后辽东巡抚的驻地。
努尔哈赤派大臣扈尔汉等人，去辽东各地广泛收集船只，并抓紧制造新船，以备攻打广宁时步骑兵渡河之用。
经过认真研究，努尔哈赤已将进军路线预先确定下来：
自辽阳往南，一路军走水路，从太子河顺流而下，到牛庄；另一路军走陆路，经鞍山，到海州，会于牛庄。两路军合兵以后，渡过辽河，直取广宁。
为了掌握明朝对辽作战动向，努尔哈赤又派出大