袁崇焕驻守孤城宁远，城中士卒不满两万人。但城中兵民斗志昂扬，誓与宁远城共存亡！
袁崇焕紧急召集部将商议，做了如下守城准备：
第一，制定兵略，凭城固守。宁远孤城，只有扬长避短，凭坚城以固守。不出城外野战，决意凭城坚守，拚死固守。敌诱不出城，敌激不出战。袁崇焕守卫宁远的要略是：孤守、死守、固守。
第二，激励士气，画地分守。袁崇焕带总兵满桂，副将左辅、朱梅，参将祖大寿，守备何可纲，通判金启倧等，集将士誓死守御宁远。为了激励士气，袁崇焕咬破食指，写下遗书，誓与宁远共存亡！将士们感佩不已，纷纷请战，群情激愤！袁崇焕随即划定防区，总兵满桂守东面，副将左辅守西面，参将祖大寿守南面，副总兵朱梅守北面。满桂提督全城，分将画守，相互援应。袁崇焕则坐镇于城中鼓楼，统率全局，督军固守。
第三，修台护铳，布设大炮。袁崇焕在宁远城上，实施“以台护铳，以铳护城，以城护民”的部署。唯一让袁崇焕赖以欣慰的是，经他和前任经略的一再催促，朝廷终于从葡萄牙购置了三十门红衣大炮！红衣大炮炮身长、管壁厚、射程远、威力大，试射训练时不慎炸毁了一门，留镇京城十八门，运到宁远前线的只有十一门！
袁崇焕未雨绸缪，红衣大炮刚采购运送到京城，袁崇焕就派麾下猛士罗立、乌有贵去接受大炮，受葡萄牙人训练成炮手。如今这十一门红衣大炮全架设在宁远城上，成为袁崇焕凭城用炮退敌的最新式强大武器！
火铳发明于中国元代，由南宋突火枪演变而来，明朝时期对火铳的发展和使用起了重大作用。火铳用铜或铁铸成，铜铸较多。由前膛、药室和尾銎构成。通常分为：单兵用的手铳，城防和水战用的大碗口铳、盏口铳和多管铳等。手铳轻巧灵便，铳身细长，前膛呈圆筒形，内放弹丸。药室呈球形隆起，室壁有火门，供安放引线点火用。尾銎中空，可安木柄，便于发射者操持。火铳的威力远胜火箭，袁崇焕为火铳和红衣大炮备足了弹药，成为宁远大捷的关键！
第四，坚壁清野，严防奸细。袁崇焕令尽焚城外房舍、积刍，转移城厢商民入城，转运粮料藏于觉华岛。又以同知程维楧率员稽查奸细，“纵街民搜奸细，片时而尽”；派诸生巡守街巷路口。在宁远城中，没有“叛夷”，也没有奸细。吸取了先前辽东诸城被敌军“内应外合”失陷的教训。
第五，兵民联防，送食运弹。袁崇焕令通判金启倧按城墙的四门，编派民夫，供给守城将士饮食。又派卫官裴国珍带领城内商民，运矢石，送弹药。在宁远城的防卫过程中，袁崇焕能军民一体，相互合作，同命运，共生死，整个宁远军民同心同力，共同守卫宁远城、抗御后金进犯。
第六，整肃军纪，以静待动。袁崇焕严明军纪，派官员巡视全城，下令官兵擅自行动和城上兵下城者即杀。官兵上下，一心守城，军纪严明，各守战位。
第七，重金赏勇，鼓励士气。袁崇焕一向重视对官兵的奖赏，特别在战况紧急之时，下令取库银一万一千一百余两，放在城上。袁崇焕宣布：官兵有能杀敌与不避艰险者，即时赏银一锭，奖励勇敢退敌者。
第八，防止逃兵，预先布置。袁崇焕传令给前屯守将赵率教、山海关守将杨麒，凡是宁远有兵将逃向前屯、山海关，抓住立刻斩首，以肃军纪！
袁崇焕在紧张而有序地防御宁远，努尔哈赤统率八旗军西渡辽河之后，长驱直前，指向四虚无援的孤城宁远。
正月二十二日，袁崇焕守城部署刚刚就绪，他与几个幕僚登上鼓楼，同朝鲜使臣翻译韩瑗等谈古论今，镇静如常，以安民心。袁崇焕四处观察一番，下令兵民偃旗息鼓待之，城中如同无人，静待后金兵近城池。
二十三日，八旗军穿过宁远城东五里处的首山与螺峰山之间隘口，兵临城下。努尔哈赤下令离城五里，横截山海大路，安营布阵，并在城北扎设统帅大营。
努尔哈赤久经沙场，宁远城中越是安静，他越是不放心，写了一封亲笔信，派被虏汉人回宁远城劝降。
袁崇焕展开书信一看，上面写道：“吾以二十万兵攻此孤城，破之必矣！尔众官若降，即封以高爵。”宁远道袁崇焕写信答复:“大汗何故突然兴兵犯境？宁、锦二城，是大汗所弃之地，吾恢复之，义当死守，岂有降理！大汗之兵不过六万，号称二十万，岂能攻下固若金汤的宁远？”
袁崇焕断然拒绝努尔哈赤诱降之后，想想要挫一挫敌军的锐气，命乌有贵和罗立登城，对准城北的努尔哈赤大营，试炮！
火光一闪，炮弹惊天动地，落在后金中军大营，一炮炸死几百士兵！努尔哈赤大吃一惊，悄悄将中军大营移到城西，下令准备战具，次日攻城。
第二天，后金兵推楯车（就是盾牌车，八旗楯车上的盾牌由厚木板包覆牛皮、铁皮复合而成，这样制成的楯车“小砖石击之不动，大砖石击之滚下，柴火掷之不焚”，具有较强的防御力。明军虽然已经大量装备火器，这些火器主要针对的是无甲、少甲的蒙古轻骑兵，所以在面对楯车时威力严重不足。），运钩梯，步骑蜂拥进攻，万矢齐射城上！
袁崇焕下令盾牌兵上前，敌军的箭矢把盾牌射得如刺猬一般，但是伤不到士兵！弓箭手躲在盾牌后面，往城下放箭，后金兵不住地倒下！
努尔哈赤一看伤不到敌军，下令集中兵力，攻打宁远城西南角。袁崇焕见明将左辅领兵坚守，立刻派祖大寿率军支援。
明军用矢石、铁铳和红衣大炮还击，城下敌兵死伤累累。努尔哈赤急忙下令移攻南城，皇太极发现城门和城门角之间是火炮的射击死角，火力薄弱，急令部下冲过火炮拦击，去凿城墙！
袁崇焕亲临指挥，一看连忙下令，城门和城门角上立刻调来两门大炮，攒对横击！同时下令乌有贵指挥宁远城东、北二面大炮，罗立指挥西、南二面大炮，“从城上下击，周而不停，每炮所中，糜烂可数里”。
后金兵死伤无数，炸得血肉横飞，但是努尔哈赤亲自督战，无人敢退，纷纷顶着炮火，用楯车撞城。
皇太极等四大贝勒也杀红了眼，冒着严寒，指挥卫队冲到城下，用大斧凿城。
明军发矢镞，掷礌石，飞火球，投药罐；后金兵前仆明后继，冒死不退，前锋挖凿冻土城，凿开高二丈余的大洞三四处，宁远城受到严重威胁。
紧要关头，袁崇焕亲自出战，拿起弓箭就往下射击！后金兵放箭还击，袁崇焕连中两箭，撕裂战袍，包扎伤口，继续奋战！将士感佩不已，奋勇杀敌。
袁崇焕又下令官兵用芦花、棉被装裹火药，称为“万人敌”，点燃了往敌兵人多的地方抛下，烧死烧伤无数！
随即又下令，用干柴塞进火药，外浇火油，绑在铁索上，点燃了放下城去，专烧凿城的敌兵！
城下敌兵顿时鬼哭狼嚎，烧成一个个火球，遍地乱滚！
袁崇焕看看敌兵退却，还有少数敌兵躲进凿开的城墙里避火，心知是个隐患；于是亲自率领五十名死士，从城墙上缒下，用棉花火药等物烧杀挖城墙的后金兵勇士，全部烧死！
努尔哈赤指挥大军攻城，从清晨战到深夜，城下尸积如山，但宁远城有惊无险，努尔哈赤只得万分悲痛地下令退兵。
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