二月间，大英明汗努尔哈赤进攻沈阳的迹象已经表露出来了。他首攻奉集堡、虎皮驿，其目的是除了掠夺以外，主要是侦探一下明军的虚实。努尔哈赤想了解一下袁应泰对沈阳一带的部署及其弱点，因为他深知奉集堡和虎皮驿对于守卫沈阳的重要性。明朝末年的军事家，只要到过辽东，几乎都看出沈阳、奉集堡和虎皮驿三地为鼎立之势。想要坚守沈阳，必须保住奉集堡，想要保住奉集堡，必须严备虎皮驿，三城互为犄角。虎皮驿守不住，奉集堡必危，奉集堡守不住，沈阳必然孤悬。努尔哈赤兴师则必出马根丹、抚顺而达沈阳，奉集堡又是必由之路，所以，努尔哈赤对于奉集堡自然要倍加重视[15]。前经略熊廷弼守辽的时候，以三位总兵驻守奉集堡等三角地区，实行“南顾北窥”之策，致使努尔哈赤没有敢轻易进犯辽沈。袁应泰以七千骑兵，和得力的将领驻守奉集堡。努尔哈赤进军辽沈的第一次尝试就从这里开始了。
天启元年(公元1621年，天命六年)二月十一日，努尔哈赤统兵数万，直向奉集堡冲击。奉集堡监军副使高出率领全军誓死坚守，尤分发挥火器的威力，向后金兵矢石齐发。努尔哈赤挥军猛攻，八旗士卒在明军的炮火下，纷纷落马、倒地，伤亡以千计。同时，明将朱万良率领本部大军前来增援，努尔哈赤完成了军事试探，第二天就下令退兵出境了。十六日，努尔哈赤又派小股兵力进攻虎皮驿。十八日，又发兵扰犯王大人屯(今辽阳县西北王大人屯)[16]。通过以上的军事行动，努尔哈赤既探清了明军的虚实，也迷惑了辽东的官将，使他们摸不清努尔哈赤大举进兵何日开始。
天启元年三月初十日，后金国大英明汗努尔哈赤亲自统率大军，水陆并进，直取沈阳城。十二日辰时，大军到达沈阳城下，驻扎在城东七里浑河北岸。明朝守城官兵在夜间得到了努尔哈赤统率大军前来进攻沈阳的消息。明军以灯火为号，沈阳全城立刻灯火通明。当天，努尔哈赤以沈阳城难攻，恐伤亡太大，没有立即命令攻击，而是设法引诱沈阳守军出城决战。为此只派一支精兵渡到浑河南岸进行掠夺，由于没有引出明兵，不久就返回来。
沈阳城由总兵官贺世贤统率亲兵一千多人，和纳降兵共六万之众，与副将尤世功统兵一万五千人，共同驻守，总计兵力有七、八万人。十三日早晨，努尔哈赤部兵列阵，命令绵甲兵持车楯攻击沈阳东门。从前经略熊廷弼将沈阳城的大而低、高不盈丈的城池重新进行了修筑，而且在城外筑了围城，比原来的城墙向外阔展八丈多，外城外掘深沟一道，内插尖木桩，覆为陷井。沟内侧修有内壕，壕上置一、二十人才能抬动的大木。外壕以内再设涧五丈宽、深二丈许，涧底插尖木，涧的内侧每一丈五尺设置战车一辆，战车与战车之间架以大炮二门，小炮四门。各个车、炮的四周还设有游动兵保卫[17]，防守的相当严密。
这样的坚城，后金兵想要强攻，势难取胜。于是，努尔哈赤在初战时，只派数十名骑兵在壕外侦察，诱使城内兵出战。
命令李永芳设法派人送书给贺世贤，招他投降献城。贺世贤看了李永芳的来书大怒，杀了来使。总兵官贺世贤一向以勇战著称，如能坚意固守待援，努尔哈赤这次攻城能否取胜，也大成问题。然而，明朝末年的边将，大多怯战，勇于战阵的又很骄傲。贺世贤是这个时期辽东官军中比较敢战的将领，努尔哈赤和李永芳都恨他。贺世贤见后金兵迟迟没能攻城，就轻视对方，把努尔哈赤的诱战误为怯弱，轻率出城对阵。部下极力劝阻，他也不听。他饮酒数杯后，率领一千多亲丁出了城，发誓“尽(杀)敌而返”。努尔哈赤正困于求战而不得，诱战而不出的时候，见贺世贤统兵冲出城来。努尔哈赤立刻命令一哨兵边战边退。贺世贤乘锐轻进，离城越来越远。这时，努尔哈赤又命令一部分八旗兵将贺世贤重重围困起来，使其不得脱身，其他八旗兵急速攻城。贺世贤虽然率领上千的勇士，手持铁鞭杀死许多八旗士卒，但终归是寡不敌众，结果，力疲而退。努尔哈赤见贺世贤边战边向城的方向退却，急令兵士放箭，世贤身中四矢。部下见他负伤劝他奔向辽阳，他以大将不能守城，有何颜面去见经略，便与众将转战到沈阳西门外，又挥鞭击杀数十人，终于被后金兵砍死在马下。副总兵尤世功出西门前来营救，而部下士卒畏战，竟一哄而散，尤世功、参将夏国卿、张纲，知州段展，同知陈辅光等都先后战死[18]。
努尔哈赤一边指挥八旗兵围攻贺世贤，一边指挥大部分八旗士卒全力进攻沈阳城。兵卒以毡裹身，推四轮战车居前，精骑在后，竭尽全力进攻东门。明军炮火齐发。八旗士卒虽然死伤很多，但仍冒死挖土填涧，相继越过三道壕涧，进逼城下。这时，正值贺世贤、尤世功战死在西门外，城内军民听说城外兵败，民心慌乱。东门守城的兵卒，砍断了桥索，吊桥下落，后金的八旗兵，蜂拥而入，沈阳城就这样被后金兵攻克了[19]。沈阳之战，总兵贺世贤以下，尤世功等道吏、副将、参将、游击、千总、百总等共战死三十多人，兵卒除少数逃散外，大部分投降了后金。
沈阳城被围的时候，经略袁应泰、巡按大臣张铨早已经部署了各路援兵，以为沈阳犄角。命川、浙总兵童仲揆、陈策从黄山来增援。虎皮驿、武靖营总兵朱万良、姜弼率兵三万也向沈阳方向增援。奉集堡总兵李秉诚正向沈阳方向集结。陈策提兵到浑河桥南，听说沈阳城已经失守，想下令回师。裨将周敦吉等坚持请战，石柱土司副总兵秦邦屏、参将吴文杰、张神武、游击周世禄、守备雷安民等共近八千人，随同周敦吉渡河。
大英明汗努尔哈赤得知明援兵已到，急速发兵向正渡河的明援军猛扑过去。周敦吉等统兵刚刚登上浑河北岸，分兵两营，还没有站稳脚跟，努尔哈赤所派的右翼兵就围了上来。与此同时，努尔哈赤又派一支兵载断了浑河桥通道，阻止河南童仲揆、陈策、副将戚金、参将张名世的部队过河。努尔哈赤以五万兵力围攻河北的明军。初战时，后金仅以一旗士兵冲阵，认为明军都是弱卒，一向接战便溃不成军，万没想到川兵能奋勇冲杀。白旗军率先冲击，两军交战不多时，白旗军没能顶住川兵，被迫败下阵来。黄旗军接着冲击，也被川兵顶了回来。最后，努尔哈赤令红旗兵会合各旗合围再进，包围了川兵，两军展开了激战，结果相互杀伤相当，前后三进三退，八旗士卒死伤近三千来人。最后，努尔哈赤责令李永芳等汉官收买明军炮手，搬用沈阳城上的大炮，向川兵老营开炮，并乘势以骑兵从两翼挟攻。川兵由于将领周敦吉、秦邦屏、参将吴文杰、守备雷安民等先后战死，只有周世禄率领少数人退到浑河南五里的浙营驻地。不久，努尔哈赤统军乘胜追击，迅速渡过浑河，将浙营兵也重重地包围起来。
当浙营、川营合兵与努尔哈赤的八旗兵对阵，四面受敌的时候，明武靖堡(今辽阳市北“大武靖营”)、虎皮驿总兵朱万良、姜弼统领三万大军，奉集堡总兵李秉诚统领本部兵会合在白塔铺(今沈阳市南“白塔铺”)，两部近四万人及时赶到。努尔哈赤得知明援军逼近，形势十分不利，大有腹背受敌的危险，便命令大贝勒代善统领右翼旗兵继续与被围的明军激战，亲自与皇太极、岳托等率领左翼军迎战明廷援军。不料朱万良、李秉诚部等不肯奋战，被八旗兵一冲就败得落花流水。皇太极乘胜随后追杀四十多里，沿途死伤三千多人。三位总兵见此，再也不想进战了。努尔哈赤乘机急速回军，全力围攻浙营兵。
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