1621年，即明天启元年，后金天命六年，努尔哈赤发动了沈阳战役。他亲自督阵，诸贝勒率本部精锐，并携带准备攻城用的云梯、战车。明沈阳守将总兵贺世贤，尽管在沈阳挖河、筑垒，但面对后金的精锐部队，仍是很难抵御。在奋勇作战中，他被乱箭射死。后金军乘势攻进沈阳城。这一战，明军被歼七万余人。

努尔哈赤攻下沈阳之后，集中力量准备进攻辽东军事重镇辽阳。辽阳在明代为东北政治、经济和文化中心，居诸城之首。其时，明辽东经略袁应泰驻扎在辽阳，以此为中心布防，准备力保辽阳城。后金军到达之时，袁应泰立即派出李秉诚等五位总兵，率军五万对敌。结果，明军被皇太极军击破。后金军随后攻城，城破，袁应泰自缢而死。这场战争只用了三天时间。

沈阳、辽阳相继被后金攻占，熊廷弼的免职，袁应泰的战死，给明王朝以沉重的打击。朝野内外普遍认识到辽东失守，辽西也不能保，大明江山有可能倾覆由后金所代替。那么，如何收拾这个残局呢?朝中有两种意见：一是放弃广宁(今辽宁北镇)，退守山海关；一是坚决固守辽西。广宁是辽西重镇。持后一种意见的人认为，放弃广宁，就等于放弃辽西；放弃辽西，就等于放弃山海关，也就等于放弃蓟州。这样一来，后金军就可直抵北京城下。因此，大部分明臣都主张力守广宁。明熹宗虽然不理政事，只知玩乐，但也不愿把自己的江山拱手送给别人。于是，他听从多数朝臣的意见，确定调兵选将固守广宁。同时，重新起用熊廷弼。熹宗还立即召见熊廷弼，并处分了当年弹劾熊廷弼的朝臣，以表明诚意。熊廷弼很快制订出防守方略，并得到熹宗和朝臣的赞同。熹宗又派王象乾出镇蓟辽，任命张鹤鸣任兵部尚书，又从各省抽调兵伍，集齐近三十万人马。明天启元年(1621)七月，熊廷弼离京出关。

第二年正月，努尔哈赤部署人马，准备进攻广宁。明军主将熊廷弼却同广宁巡抚王化贞在军事上各持一端。熊主张以守为战，王却主张主动进攻后金军。王化贞并不懂军事，又刚愎自用，根本不听熊廷弼的意见。两人互相弹劾。兵部尚书张鹤鸣暗中支持王化贞，和熊廷弼作对，并使王化贞逐步夺取广宁的军权，熊廷弼被架空。努尔哈赤经过准备，亲率大军渡河，以攻广宁。王化贞的守河部队，见后金军渡河，不战自溃。后金军追击明军至西平堡。在这种情况下，熊廷弼提出集中兵力固守广宁。王化贞不赞成，提出在河上驻兵并以重兵守西平堡的相反方案。王化贞坚持己见，结果，后金军在西平堡等地大败明军。继而，后金进攻广宁，王化贞不战而逃，熊廷弼救援不及。后金军在没有费多大力气的情况下，就占领了广宁。努尔哈赤当时攻打城市纯粹是掠夺性的，对广宁也不例外。他下令搬走城中全部物资，并放火烧城，然后撤离这个地区。熹宗看到广宁惨败十分恐慌，但他还能克制，下令让熊廷弼、王化贞戴罪镇守山海关。由于一部分朝臣对熊廷弼不满，要求严惩。于是熊廷弼、王化贞被捕入狱。

天启五年，即后金天命十年(1625)，努尔哈赤决定迁都沈阳，以沈阳为政治中心。这就更加明显地看出，他的目的并不只是满足在东北地区的胜利，而是欲寻找机会入关，入主中原。不过，明王朝那时也不甘心就此败在后金手下。广宁失守以后，中心任务是守山海关，但是谁都清楚，在山海关对付新兴的后金并不容易，因而谁也不敢欣然领命。在朝臣的举荐下，兵部侍郎王在晋被晋升为兵部尚书兼都察院右副都御史，奉命经略山海关。他到任后，提出“堵隘守关”和“拒奴抚虏”的方针，即在山海关外再设一关，作为“卫护山海，亦卫护京师”之屏藩；并用重金收买蒙古人，集中对付努尔哈赤。他的意见遭到部将袁崇焕等人的反对。明廷派兵部尚书孙承宗到山海关处理王、袁之间的争议。孙承宗对宁远卫（今辽宁兴城市）形势作了考察之后，认为宁远是“天设重关，以护神京，必不可不守”，明确表示支持袁崇焕的主张，王在晋仍不服气。孙承宗回到北京，向熹宗建议，撤王在晋经略山海关军务之职，起用袁崇焕守宁远城，并自请到山海关任辽东经略，得到熹宗的赞同。随后袁崇焕晋升为右参政。孙承宗和袁崇焕计议，在锦州、杏山、松山一带修城镇，使明朝的占领地又从宁远向北推进二百里，这对边事大有好转。但是，宦官魏忠贤对孙承宗早有不满，借前线传来明军的一次小败，弹劾孙承宗，派其党徒高第出任兵部尚书，经略辽东、蓟镇、天津等处军务。孙承宗被迫回家养病。