正月二十四日上午，宁远大战正式打响，后金部队以战车为掩护，步兵、骑兵蜂拥而出。努尔哈赤又命弓箭手万箭齐发，企图一鼓作气拿下宁远。
但让努尔哈赤感到诧异的是，宁远的守军与之前遇到的敌人大不相同，虽然人数不占优势，但却训练有素，而且武器非常先进，宁远城楼高大巍峨，后金部队的箭矢射到城楼时基本都是强弩之末，对城内的军民并没有太大的伤害。而明军所使用的火器装备威力巨大，且居高临下，让后金部队吃尽了苦头。经过几个小时的进攻之后，后金部队以大量伤亡为代价终于抵达宁远城下，士兵们顶着炮火，用楯车撞城；冒着严寒，用大斧凿城。但明军发矢镞，掷礌石，飞火球，投药罐，后金兵部队虽然在城墙上凿开高二丈余的大洞三四处，短时间内对宁远城造成了一定威胁，甚至还射伤了袁崇焕的左臂，然而明军的防守却依然坚定、有序，“火毬、火把争乱发下，更以铁索垂火烧之，牌始焚，穴城之人始毙，贼稍却。而金通判手放大炮，竟以此殒。城下贼尸堆积。”
就这样，二十四日的攻防战打了整整一天，城下堆满了后金部队的尸体，过程虽然险象环生，宁远城却依然巍峨挺立。
正月二十五日，努尔哈赤不甘心失败，于是指挥部队再次全力进攻。而袁崇焕则以火器大炮为主要手段，“炮过处，打死北骑无算”。后金部队虽然拼死进攻，但却没有丝毫的收效，“其酋长持刀驱兵，仅至城下而返”。
这一天打下来，努尔哈赤再次以失败告终，两天大仗，人死了不少，但便宜却一点也没占着，于是只好鸣金收兵，退到西南侧离城五里的龙宫寺扎营。
正月二十六日，后金部队继续围城，明军依旧以从荷兰进口的红夷大炮为主要武器。努尔哈赤无计可施，眼见攻城无望，只好改变进攻策略，命武讷格率领部队穿过冰原，进攻明军的后勤基地——觉华岛。
宁远一战，对于明朝和后金来说，都有着重要的意义。对于明朝来说，此时朝政一塌糊涂，皇帝像个木匠，权臣是个太监，正人君子非死即伤，但单论辽东而言，虽然主将高第是个窝囊废，却毕竟还有袁崇焕、祖大寿等能战的一线指挥员。这批一线指挥员是非常重要的，宁前道袁崇焕完全可以说是一位力挽狂澜的杰出将领。虽然宁远一战并非大兵团的千里对决，只是一场守城之战，但袁崇焕指挥得当，充分利用了己方武器上的优势，以逸待劳，利用了敌人急躁进攻的漏洞，进而获得胜利。从这点来说，这次战役具有非常重要的意义。
在守城战役中，宁远部队数量虽然有限，但袁崇焕却有效地将兵力集中，与麾下的将领如总兵官满桂、副总兵左辅、参将祖大寿等人配合默契，上下同心，起到了稳定军心的作用。而作为文官出身的将军，袁崇焕也很善于捕捉士兵的心理，他“刺血为书，激以忠义”，这对守城的士兵来说自然是一种强有力的刺激，也正是因为这一点，最终才能军民同仇敌忾，誓与金兵决一死战。
当战役打响之后，袁崇焕将城外的西洋大炮装在城墙上，准备了大量弹药，调配各将各负其责，又尽焚城外房舍、积刍，将外城腾空，战守调配周密妥当。充分地利用了西洋火器的优势，对后金部队形成了具有威慑力的打击，使习惯冷兵器作战的女真人慌乱失措，进而失去了战场的主动权。
宁远之战对于天命汗努尔哈赤而言简直就是耻辱，而纵观整个战役，努尔哈赤的指挥系统确实出现了较大的漏洞。对明作战屡战屡胜让努尔哈赤在一定程度上产生了轻敌的思想，在进攻宁远的过程中企图一蹴而就，没能根据战场的具体情况布置战术，这是他在战术上失败的主要原因。
宁远攻坚失败之后，努尔哈赤一心雪耻，二十六日，后金一面派小股部队继续攻打宁远城；一面命大部分骑兵突袭明朝部队后勤基地觉华岛。后金军由骁将武讷格率领蒙古骑兵及满洲骑兵数万人，由冰上猛攻觉华岛。武讷格统领的后金骑兵，分列十二队，武讷格居中，扑向觉华岛的战略要冲——囤粮城。岛上明军由于大多数是水手，不善于陆地决战，而且武器不足，又没有盔甲等护具，因此一接火便大举溃退。后金军攻入囤粮城之后立刻放火烧了粮草，接着便迅速调转方向，猛攻东西两山。觉华岛的守将眼看大势已去，犹自苦战，率领数百人与后金部队周旋，但面对数十倍于己的敌军，很快便败下阵来，全军覆没。
