经过聚众商议，袁崇焕与城中的武将们基本达成了死守宁远城的共识。然后上奏朝廷，表明要死守宁远，并上报了一个作战方案，归纳为五点：
1、城防布置。以广武营步卒守城内，撤中左所，都司陈兆兰率步兵与都司徐敷奏守城墙，满桂标下内丁投放城上及四座城门。袁崇焕督内丁专门在城内搜拿奸细。派中军孙绍祖、何可纲等作为联络宣传督阵的官员。
2、外围布置。以修武营参将祖大寿出兴冰瓦要冲，命副将朱梅、游击马爌、邓茂林与祖大寿合兵迎敌。
3、敌后序列。锦右地区的前锋既然撤退了，那就命撤退下来的王承胤、肖升、左辅等人不许继续向西退，吩咐他们在红罗山一带布防，并在敌后依托堡垒发挥牵制作用。
4、援军序列。各小堡俱归并于宁远城。堡官孟继孔等从北应援；水营游击姚禹贤等从南应援；调赵率教及堡将窦成功等部骑兵从西应援。
5、在宁远以南布防。派刘永昌、尤岱二人带兵死守宁远后方的中右所；派总兵赵率教带领其手下步兵守住后方的前屯卫城堡，只要有兵逃向山海关，一律抓住斩首。
袁崇焕在奏报中断定“宁远一固，则奴必不敢舍坚城而西”。
正月二十一日，各路兵马收聚于宁远，时城中士卒不满二万。总兵满桂、副将左辅、参将祖大寿均认为建虏兵峰强盛，不可以在野战中与之争锋，决定以死守拒敌。于是祖大寿提议将宁远城四道城门全都封起来，诸将朱梅、徐敷奏、王喇嘛都赞同主祖大寿的提议，于是何可纲按剑下令堵塞四门。
王喇嘛建议把城外的西洋大炮都撤入城中来布防，袁崇焕从善如流，于是，令彭簮古率领壮丁将西洋大炮拉到了城墙上架设炮位。然后尽焚城外民舍。又令同知程维模清查奸细；锦右督粮通判金启倧按照四面城墙各自编派民夫，供给饮食；卫官裴国珍鸠办物料；诸生守巷口。
城内戒严，“有一人乱行动者即杀！城上人下城者即杀！”以满桂提督全城，守东南面；左辅守西面；祖大寿守南面，朱梅守北面
正月二十二城中部署定，二十三，奴儿哈赤率军抵达宁远，在宁远城西北方五里安营扎寨。
奴儿哈赤攻城，首先是派出奸细与难民、败兵等人一起，趁乱混入城中，然后在攻城时，促起发难，一举拿下城门，然后大军入城，展开肉搏。这次在宁远城却遇到了困难，原来宁远城兵少，各将一开始就放弃了城外迎敌的传统战术，一意坚守，于是把城门给堵塞了，这样城中就算有小部队叛变或逃跑，一时打不开，城中可从容处置。
宁远城门打不开，那就只能硬攻了，硬攻毕竟损失太大，所以攻城之前，奴儿哈赤还是想试试再辽东屡试不爽的招降反间等路数。于是，趁着安营扎寨的时间，放几个一路上抓到的汉人俘虏入城，同时带上招降书，曰：“吾以二十万兵攻此城，破之必矣，尔众官若降即封以高爵”。
袁宗焕赶紧严词拒绝，毕竟要是被阉党抓住把柄，说他私通建虏，那可就说不清了，于是答复：“大汗为什么无缘无故的就派兵来进攻宁远？宁远、锦州二城都是大汗你不要的地方啊，我带人占了下来就是我的功劳了，我必须守住，哪里能投降与你（投降你有什么好处）？你虽然号称大兵二十万，吓我呢，我已经侦测到你一共只有十三万兵了，你是觉得自己兵少吗？”
奴儿哈赤明末只带了五万不到的兵，这里袁宗焕为什么会说已知道虏兵十三万呢？其实是因为双方兵力的计算方式不一样，奴儿哈赤的五万都是战兵，而袁崇焕说的十三万是加上炮灰的数字。嗯，这多的八万炮灰，说不定不久之前还是大明的关宁军精锐呢，这么看起来算是大军的一部分没毛病。
眼见招降失败，正月二十四日，奴儿哈赤开始正式派兵攻城，说道攻城，建虏其实和蒙古人有的一拼。宁远城是袁崇焕亲自定的规格，亲自压着一众高级将领督工修建的，实事证明大明朝的文官认真做事，关键时候就能救自己一命。
宁远城太高了，建虏的科技实力毕竟有限，这么高的城墙，造攻城设备所需要的技术含量还不是建虏能掌握的。再加上城墙上还有大炮，没有楼车压制城墙上的守军，勉强造把加长型的梯子，爬上城墙的人也是被围殴的下场。
鉴于攻城技术实力不够，所以建虏根本就不准备爬城墙了。而是用了个笨办法，那就是挖墙脚。把战车顶在头顶上，然后冲到城墙脚下，因为天寒土冻，战车直接嵌到了城墙上。这是下面的人只需拿出铁锹挖城墙即可，不得不说这个攻城的方法真是神来之笔，就是欺负大明军队不敢出城。
这个，毕竟是自家城墙，当然不能放任建虏挖墙脚不管，所以宁远城中也是想各种办法来破坏城墙下挖墙脚的。
宁远道袁崇焕亲自坐镇城墙上，总兵满桂、参将祖大寿等婴城固守，军士奋力攻打，枪炮药罐雷石齐下，死战不退，嗯，效果也不好，城下挖墙脚的还是躲在车下继续挖。
袁崇焕急了，说道，谁能破坏城下的战车有重赏。正好这时，有红夷大炮杂役搬着**物资上城墙，听到袁大人的重赏许诺，脱掉棉衣包上药罐雷石，点火之后丢到城下战车上，只听轰的一声，战车着火倒在一边，而车下的建虏已经向两边逃跑了。
城墙上众士兵见这个法子好，纷纷效仿。一时间，城下轰轰作响，满洲兵不能进，相持了一会儿，建虏见占不到便宜，也就鸣金收兵了。
第二天，奴儿哈赤又指挥大军攻了一阵，结果还是不理想，反而还在城下折了游击二人，备御二人，死伤士兵五百。
攻城不利，奴儿哈赤正在大帐发脾气呢，手下来报，审查俘虏得知：在离宁远城十六里的南面，有一名为觉华岛的小岛，大明关宁军为了转输粮草方便，所以在岛上大规模屯粮。
宁远城不好打，海外一小岛还不是手到擒来。于是，奴儿哈赤一边安排人手见识宁远城中动向，一边派兵遣将，攻打觉华岛。
二十六日辰时，兀内革率八固山蒙古，另加建州兵八百进攻觉华岛。此时，岛上各兵正在寒风中，辛辛苦苦的凿冰，可惜天气太冷，天空还在下雪，刚刚凿开的裂缝转眼间就又复合了。建虏大军岁岁便便就能找到没有被凿开的地方，可怜觉华岛守军，本是一帮水军，又无盔甲兵械，遭遇建虏大军正面进攻，一时阵脚大乱，四营尽溃。
在广宁失陷之后，宁远城南的觉华岛便成为明军在辽西海上囤积粮料的主要场所，也是明朝在关外最重要的补给基地，其战略意义非常重要。这一次战败，参将姚抚民、副将胡一宁、水师游击金冠、游击李善，还有将领张国青、吴游击等人一起战死。
建虏攻破觉华岛后将岛上七千多驻军和七千多商民尽数屠杀，然后焚毁岛上船只二千余艘，及粮草千余堆，复回大营。
二十七日，感觉继续攻打宁远城也没什么便宜可占的奴儿哈赤下令班师。
二十八日，总兵满桂开南门追剿。
从天启六年正月初十四，奴儿哈赤带领后金大军从十方堡出边，前至广宁附近地方打围开始，至正月二十八日，总兵满桂开南门追剿奴贼结束。
宁前兵备道袁崇焕第一个向朝廷报捷，所谓独卧孤城以当虏耳，大势吹嘘宁城守城之功为大明朝开战以来对建虏的第一次胜利。