天啟元年三月十三日，后金攻陷沈陽，尤世功、賀世賢部覆沒，之后渾河血戰陳策、童仲揆部精銳亦覆沒。沈陽丟失遼陽門戶大開，而此時遼陽城中兵只剩不到萬人，情急之下袁應泰棄守奉集堡、虎皮驛等地，調朱萬良、姜弼等部匯合于遼陽補充兵力。
三月十八日，努爾哈赤率八旗兵與沈陽降軍攜帶城中火器進發遼陽并于十里河駐扎，十九日午時開始橫渡太子河抵達遼陽城外。此時袁應泰也做出相應部署，跟沈陽一樣，他沒有選擇憑城固守，而是調集城內候世祿部、李秉誠部、梁仲善部、姜弼部、朱萬良部和參將周世祿部所有機動戰兵出城列陣野戰，他自己親率明軍出戰，另派巡按張銓在城墻上指揮守軍配合。
努爾哈赤見明軍出西門列陣對戰，努爾哈赤先派兩黃旗進攻明軍，雙方對沖兩次，后金黃旗兵不敵敗走，明軍大眾追殺。
但是努爾哈赤并不慌亂，其余各旗士兵也沒有絲毫影響動搖，并很快在努爾哈赤的指揮下做出反應，白旗、紅旗、藍旗后金兵避開黃旗方向整隊前進，在靠近明軍后并沒有進行攻擊，而是各派一路火銃兵在前對著追殺而來的明軍進行齊射，明軍在火器打擊下攻勢被遏制，各旗后金兵卻趁勢沖鋒整隊攻入明軍陣列，明軍大敗退回城墻處。
后金兵乘勝進攻小西門，明軍城外城上兵齊發火器藥箭拒守，后金兵攻城失敗退走，之后袁應泰留下一部分士兵防守西門外壕溝，率領其余明軍入城，努爾哈赤將八旗兵在東、西、北三面設置四個營寨將遼陽包圍。
三月二十日卯時，努爾哈赤再次攻城，命令左翼四旗兵進攻西門城壕與出水口，右翼四旗兵攜帶盾車進攻東門堵塞入水口。
袁應泰鑒于十九日明軍出城與城上守軍配合擊退后金的戰術取得成功，于是這次故技重施，再次派明軍出東門列陣分槍炮三層與努爾哈赤右翼四旗兵對戰，并且派出自己招募的“虎威軍”家丁助戰，結果這些人剛一接戰就丟下步兵潰逃，被賣的明軍步兵在這種后方奔潰的情況下卻表現出了一些堅韌，繼續維持陣列接戰。
后金四旗兵從容列陣，一邊投射一邊前進，隨后努爾哈赤派沈陽降軍移動炮車過河到東山上設立火炮陣地，對著明軍步兵一陣猛轟，明軍紛紛逃散。
出城明軍潰敗后，后金左右翼八旗兵猛攻東西兩面，西門四旗兵被明軍用火箭燒退，無奈之下報告努爾哈赤請求更改軍令為奪橋被應允。
這一行動很快奏效，后金兵成功奪取西門橋而入，隨后分兵兩部分別攻城并進攻留守在壕溝內的明軍。西門壕溝內的明軍依靠彎曲通道或明或暗與后金兵搏斗，城上明軍也發射火炮火銃進行支援。后金兵反而陷入的多重打擊之中，于是左翼四旗兵放棄奪取壕溝，將重點放在了進攻西門上，于是將云梯攻車等戰具運來登城。
西門守軍奮力據守。火器連發不絕，然而戰況激烈之下出了一個很大的岔子，西門火藥不知道什么原因被意外點燃，城上引起連環爆炸，守城川兵大多被炸死，敵臺、窩鋪、城樓也被大火焚燒，不久后火勢又蔓延到城內房屋，一發不可收拾。
袁應泰見事態緊急，慌忙連發紅旗令箭催調各監軍道組織城外各營兵救援西門。監軍牛維曜騎馬從小南門出城趕往東門，結果路上被刀箭重傷墜入護城河中，還好隨從及時把他撈了出來才沒被淹死。牛維曜帶傷突破重圍趕到東門，結果四顧之下發現城外明軍早就陷入混戰當中，各營兵或死或潰，根本組織不起來，此時城內也已經大火熊熊內應亂起高呼遼陽已陷，無奈之下和城外的明軍一起逃走被后金兵追殺六十多里到鞍山。
后金左翼四旗兵趁此機會成功登城西門，并順著城墻進攻并于酉時占據了兩道城墻。
努爾哈赤的右翼四旗兵此時還在東門填壕溝，接到左翼的戰報后下令右翼兵停止進攻東門，全部去西門登城支援，袁應泰自殺，張銓退守衙署，明軍萬余人與百姓數萬突圍向著山海關逃去。
雖然遼陽城破，抵抗卻并沒有停止。城內沒有逃走的明軍持火執杖與后金兵進行了一夜的巷戰，二十一日天明后努爾哈赤將入城的后金兵集合起來整兵列盾與城內明軍又進行了一次大戰，并派城外后金兵登城支援進攻城墻上據守的明軍殘兵，直到張銓被俘，這才徹底攻下了遼陽。
努爾哈赤本想招降張銓，張銓曰：“我受我皇深恩厚祿為生，今若受爾養育而茍活之，則將遺臭后世。爾雖欲養之，但我不欲生而愿一死。養則爾名遐播，死則我名垂世。”其抿不跪見。汗曰：“不戰而降，自宜優待。
戰而被擒之人，若有不惜身命，而情愿一死者，恩養之何為？”努爾哈赤說的挺光棍，就下令殺了張銓，皇太極還是有些想法，于是繼續招降張銓，并用宋徽宗、宋欽宗做例子：汗之子四貝勒，憐惜張銓而欲養之，乃引古昔之例曰：“昔爾趙徽宗、趙欽宗二帝，為我金汗所擒，亦曾屈膝叩見，故攜至我處，授之為王矣，爾何不屈耶？實我愿爾生之，故此勸諭。”
張銓對曰：“對王爾之教言，我雖死不忘。爾之勸我，無非欲我生也。該徽宗、銓宗二帝，乃亂世之弱君耳，我斷不敢屈膝求生，辱我大皇帝之尊。
留我十日，尚可，過此，我即求一死。所謂養我，乃為后世之民眾也！前任各員，皆昏昧不悟，故人亡慘重。以我觀之，當今之戰，復致傷生，戰而無益。我為使民眾免遭傷亡，而愿以我之令名，流傳於后世。我死，我之五子、妻、母俱可保全，若受爾養之，則我之親族后代皆將死穎！故我情愿一死。”於是賜縊張銓而葬之。…………………………
雖然遼陽失陷，但此時在路上還有個叫張神武的人帶著援遼軍令往遼陽而來。張神武帶著兩百四十名家丁出山海關入援遼陽協助防守，沒想到的是形勢急轉而下，張神武剛到廣寧就接到遼陽陷落的消息，袁應泰也自焚而死。出兵任務已經失敗，接下來何去何從呢？巡撫薛國用建議張神武就留在廣寧等待新的命令，張神武聽后卻拒絕了他，薛國用很不理解問他原因，張神武回答:“我接到的軍令是支援遼陽協守，而不是駐防廣寧，因此我不能接受。”薛國用更不理解了，問道:“如今遼陽已經失守，你還怎么支援呢？”張神武答:“無城可援，唯有殺奴。”
薛國用做出最后努力，勸告說:“區區二百人，如何才能殺敵？”張神武沉凝，答:“不能殺奴，則死之。”在廣寧告別巡撫后，張神武帶著家丁獨自趕往遼陽，在路上碰到了遼沈逃難而來的十幾萬軍民，張神武避開難民找到亂兵主帥，想要說動一起前去遼陽殺敵，他勸說:“遼沈逃難而來的流民加上敗兵足有十余萬，如果將這些人組織起來何懼敵寇？
即便戰敗身死也會留下一個忠義的美名，總好過鼠竄偷生。”但這些敗兵此時唯一想的只有逃生保命，根本不會在意張神武的激勵，拒絕之后繼續向西逃了。張神武看著逃命的敗兵，勒了勒馬韁，繼續帶著士兵渡河東進，一天之后，沒有攜帶任何糧草的張神武來到距離遼陽僅十七里的首山。
而后金軍挾大勝之威，根本沒想到還會有明軍出現，張神武卻沒有給他們驚訝的機會，帶著二百四十名家丁從首山向著遼陽一路沖突而來，后金軍倉惶驚擾之下被明軍擊殺百十余人，乃至于驚動本陣。但張神武的戎馬生涯也僅止于此了，后金軍經過慌亂后迅速組織起來，將張神武合圍，至此，如他所說，唯死而已。
不知道血戰幾時，冉紹登等十四名騎士突圍而出，張神武和其余二百多人則一同戰死沙場，遺體全部散落在遼陽城外。監軍御史方震孺接到張神武戰死的消息后，找人將給他畫了一幅像，并懸掛在軍營之中，此后凡出兵必率領將士敬拜忠魂。九月，天啟皇帝追贈張神武為都督同知，立祠廟祭祀，并蔭一子世襲正千戶職位。