在皇太極對朝鮮用兵之時，袁崇煥加緊修築錦州、中左、大淩河三城的防禦工事，派水師去支援皮島的毛文龍，另派趙率教、朱梅等九員將領率兵九千，進兵三岔河，牽制清軍，作朝鮮的聲援。但朝鮮不久就和滿清訂了城下之盟，趙率教等領兵而回，並未和清軍接觸。
皇太極無法和明朝達成和議，卻見袁崇煥修築城堡的工作進行得十分積極，時間越久，今後進攻會更加困難，於是決定“以戰求和”，對寧遠發動攻擊。
天啟七年五月，皇太極親率兩黃旗、兩白旗精兵，進攻遼西諸城堡，攻陷明方大淩河、小淩河兩個要塞，隨即進攻寧遠的週邊要塞錦州。
五月十一，皇太極所率大軍攻抵錦州，四面合圍。這時守錦州的是趙率教，他和監軍太監紀用守城，派人去與皇太極議和，那自是緩兵之計，以待救兵。皇太極不中計，攻城愈急。
袁崇煥派遣祖大壽和尤世祿帶了四千精兵，繞到清軍後路去包抄，又派水師去攻東路作為牽制。這時天熱，海上不結冰，水師用得著了。
趙率教是陝西人，這人的人品本來是相當不高的。努爾哈赤攻遼陽時，趙率教是主帥袁應泰的中軍（參謀長）。袁應泰是不懂軍事的文官，趙率教卻沒有盡他做參謀長的責任，這個戰役指揮得一塌糊塗。清軍攻破遼陽，袁應泰殉難，趙率教卻偷偷逃走了，論法當斬，不知如何得以倖免，想來是賄賂了上官。後來王化貞大敗，關外各城都成為無人管的地方，趙率教申請戴罪立功，帶領了家丁前去接收前屯衛，但到達時發覺已被蒙古人占住，他便不敢再進。努爾哈赤攻甯遠，趙率教在前屯衛，距離很近，自己不親去赴援，後來甯遠大捷，他卻想分功，以致給滿桂痛駡，釀成了很大風波。
和滿桂衝突時，袁崇煥相當支持他。趙率教感恩圖報，又得袁崇煥時時勉以忠義，到錦州大戰時，他突然之間似乎變了一個人。他和前鋒總兵左輔、副總兵朱梅等率兵奮勇死戰，和皇太極部下的精兵大戰三場，勝了三場，小戰二十五場，也是每戰都勝。從五月十一打到六月初四，二十四天之中，無日不戰，戰況的激烈，不下於當年寧遠大戰。六月初四那天，皇太極增兵猛攻。錦州城中放西洋大炮，又放火炮、火彈和矢石，清兵受創極重。攻到天明時，皇太極見支援不住了，只得退兵，退到小淩河紮營，等候各路兵馬集中整編。
趙率教轉怯為勇，自見敵潛逃到拚死守城，自畏縮不前到激戰二十四日，到後來更在保衛北京之役中血戰陣亡，終於在歷史上與滿桂齊名，成為當時的兩大良將。他這個重大轉變，非常突出的證明了袁崇煥的領導才能。
皇太極整理好了部隊，轉而去攻寧遠。
清軍上次在寧遠吃過敗仗，兵將心中對袁崇煥都是很忌憚的。大貝勒代善見城中有備，就勒兵不攻。皇太極對諸將說：“先汗攻寧遠不克，這次我攻錦州又不克，若再攻不下寧遠，我可要聲名掃地了。”於是下令總攻，擊破城下明軍騎兵，直薄城壁。
比之第一次甯遠之戰，袁崇煥部的戰鬥力已有增強，敢於到城外決戰了。上次要清軍退後，才派五十名敢死隊縋到城下拾箭枝，可見不敢開城門。
滿桂率領明軍在城南二裏列陣，城牆下環列槍炮。皇太極佯敗，想引明軍來攻，然後伏兵齊起。但明軍沒有上當，守壘不追。皇太極於是回軍再戰。
袁崇煥親上城頭督戰，大聲呼叫。滿桂戰於城外。祖大壽、尤世祿回師攻擊清兵後路。雙方死傷均重，滿桂身中數箭。明軍野戰終於打不過清軍，於是退入城中據守。這場大戰打得十分慘烈，城壕中填滿了兩方軍士的死屍。
守軍又以葡萄牙大炮轟擊，擊碎清方大營帳一座及皇太極的白龍旗，殺傷清兵不少。明方的報告說，皇太極長子召力兔貝勒胸口中箭，另一子浪蕩甯古貝勒在陣上被明軍射殺，又殺固山（領七千五百人）四人、牛錄（領三百人）三十餘名。這報告失之誇大，事實上並無皇太極的兒子在此役中陣亡。但清方紀錄中也說：濟爾哈朗貝勒、薩哈廉貝勒、大將瓦克達、阿格等均受傷。
皇太極見部隊損失重大，只得退兵，再攻錦州南面，亦不能拔，將士又遭到不少傷亡，將領覺多拜山、巴希等陣亡。七月，清兵敗回瀋陽。
這一役明朝稱為“甯錦大捷”，是明軍對清軍第二次血戰勝利。
袁崇煥在報功的奏章中，力稱功勞最大的是滿桂。他和滿桂向來頗有意見衝突，但在奏章中力稱甯遠大捷以滿桂之功居多，可見光明磊落，大公無私。
第一次甯遠大捷是天啟六年正月，第二次甯錦大捷是七年五月，相隔一年零四個月。在這短短的十六個月之間，袁崇煥加強了明軍的戰鬥力，搶築了錦州的防禦工事，固守在清軍的後路，使皇太極有後顧之憂，不敢久攻寧遠。同時清軍先攻錦州不克，再攻寧遠，氣勢已挫。可見袁崇煥這十六個月中的準備工作收到了很大成效。如果能多一些和平時期，局面當然更有改進。
這一仗大捷，軍事上的主要因素之一，還是靠了葡萄牙的紅衣大炮。明朝這時本來已驅逐了葡萄牙人的天主教傳教士。傳教士波爾、米克耳兩人見到明清交兵，有機可乘，便發動澳門的葡人，向明朝提供軍費和炮手。明朝於是召還已驅逐了的教士。本來秘密傳教變成了公開，大批葡萄牙教士和炮手進入中國。後來中國在外國教士和技師指導之下自行鑄炮。所鑄成的大炮也封了官，稱為“安國全軍平遼靖虜將軍”，還派官祭炮，請將軍發威破敵。金人要直到數年之後，才因投降的明人之助而開始鑄造大炮。
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