正月二十二日，袁崇焕守城部署刚刚就绪。他与几个幕僚至鼓楼，同朝鲜使臣翻译韩瑗等谈古论今，镇静如常。他先令兵民“偃旗息鼓待之，城中若无人”，静待后金兵近城池。
正月二十三日，八旗军穿过宁远城东五里处的首山与螺峰山（窟窿山）之间隘口，兵薄宁远城郊。努尔哈赤命离城五里，横截山海大路，安营布阵，并在城北扎设统帅大营。努尔哈赤在发起攻城之前，释放被虏汉人回宁远城，传汗旨，劝投降；但遭到袁崇焕的严辞拒绝。《清太祖武皇帝实录》记载：放捉获汉人，入宁远往告:“吾以二十万兵攻此城，破之必矣！尔众官若降，即封以高爵。”宁远道袁崇焕答曰:“汗何故遽加兵耶?宁、锦二城，乃汗所弃之地，吾恢复之，义当死守，岂有降理！乃谓来兵二十万，虚也，吾已知十三万，岂其以尔为寡乎！”
袁崇焕断然拒绝努尔哈赤诱降之后，命家人罗立等向城北后金军大营，施放西洋大炮，“遂一炮歼虏数百”。后金军不敢留此驻营，将大营移到城西。努尔哈赤见袁崇焕既拒不投降，又发炮轰击大营，命准备战具，次日再攻城。
正月二十四日，后金兵推楯车，运钩梯，步骑蜂拥进攻，万矢齐射城上。在城堞上，箭镞如雨注，悬牌似猬皮。明军凭坚城护卫，既不怕城下骑兵猛冲，又能够躲避箭矢射击。后金集中兵力，攻打城西南角。左辅领兵坚守，祖大寿率军应援。
明军用矢石、铁铳和西洋大炮下击。后金兵死伤累累，又移攻南城。后金军在城门角两台间火力薄弱处凿城。