至是，皇太极回到锦州城外，命官兵向城举炮、鸣角，跃马而前。又令军士大噪三次，才入营。以后数日，后金军继续围困锦州城。白天，以万骑往来，断城出入；夜晚，则遍举薪火，示警干扰。
六月初三日，皇太极见劝降无效，准备向锦州城发起进攻。后金军列八旗梯牌，陈火器攻具，相视四周形势，以备明日激战。
初四日，凌晨，天聪汗皇太极设大营于城东南二里的教场，命数万官兵攻打锦州城南隅，卯刻进兵，辰刻攻城，顶冒挨牌，蜂拥以战。其他三面，列军佯攻，牵制明兵。明军从城上用火炮、火罐与矢石下击，后金军死伤众多。后金兵冒死运车梯，强渡城濠。濠深且宽，不得渡过，拥挤濠外，遭炮轰击，纷纷倒毙，尸积如山。皇太极无视军兵惨死，力督攻城，必欲夺城。至午，后金兵伤亡，更倍于午前。明军凭藉坚城深濠，从城上发射火器，后金兵无法靠近城墙。傍晚，经过一天激战，皇太极见明军凭依高城深堑，施放强大火力，气候炎热，士气低落，攻城不下，遂命撤军回营。
锦州城外激战，后金军的损失，明总兵赵率教疏报：此役后金兵伤亡“不下二三千”。明镇守太监纪用奏报：
初四日，奴贼数万，蜂拥以战。我兵用火炮、火罐与矢石，打死奴贼数千，中伤数千，败回贼营，大放悲声。
《清太宗实录》记载：“攻锦州城南隅，因城濠深阔，难以骤拔。时值溽暑，天气炎蒸，上悯念士卒，乃引军还。”《旧满洲档》更少讳饰：
刻有“宽温仁圣皇帝”字样的皇太极信牌
此次攻打时，兵士死亡很多，大军遂还。
由上可见，皇太极撤军的三个因素——城濠深、天气热、死伤多，其中“死伤多”是主要原因。
初五日，凌晨，天聪汗皇太极开始从锦州撤军。经小凌河城，拆毁明军工事。初六日，至大凌河城，毁坏城墙，然后东去。皇太极的父汗努尔哈赤在《清太祖武皇帝实录》中曾留下遗训：“至于攻城，当观其势，势可下，则令兵攻之，否则勿攻。倘攻之不拔而回，反辱名矣！”皇太极背负“辱名”之痛，于十二日回到沈阳。
初六日，辽东巡抚袁崇焕上《锦州报捷疏》言：
仰仗天威，退敌解围，恭纾圣虑事：准总兵官赵率教飞报前事，切照五月十一日，锦州四面被围，大战三次三捷；小战二十五日，无日不战，且克。初四日，敌复益兵攻城，内用西洋巨石炮、火炮、火弹与矢石，损伤城外士卒无算。随至是夜五鼓，撤兵东行。尚在小凌河扎营，留精兵收后。太府纪与职等，发精兵防哨外。是役也，若非仗皇上天威，司礼监庙谟，令内镇纪与职，率同前锋总兵左辅、副总兵朱梅等，扼守锦州要地，安可以出奇制胜！今果解围挫锋，实内镇纪苦心鏖战，阁部秘筹，督、抚、部、道数年鼓舞将士，安能保守六年弃遗之瑕城，一月乌合之兵众，获此奇捷也。为此理合飞报等因到臣。臣看得敌来此一番，乘东江方胜之威，已机上视我宁与锦。孰知皇上中兴之伟烈，师出以律，厂臣帷幄嘉谟，诸臣人人敢死。大小数十战，解围而去。诚数十年未有之武功也！
宁锦大捷，赵率教在锦州、满桂在宁远，英勇作战，立有大功。袁崇焕在报功的奏章中，力称功劳最大的是满桂。可见其大公无私，光明磊落。
宁锦之战，后金军攻城，明辽军坚守，凡二十五日，宁远与锦州，以全城而结局。明人谓之“宁锦大捷”，载入中国战争史册。
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