明政府以袁应泰接替熊廷弼。《明史》说他“历官精敏强毅，用兵非所长”。他到达辽东，一改熊廷弼坚守战略，积极准备进攻后金。恰值辽东边外蒙古各部发生饥荒，牧民乞食者众。袁应泰欲借用蒙古人出力，下令大量招降安置于辽阳、沈阳城中。有的官员担心蒙古降众过多，其中可能混进后金间谍，而袁应泰自以为得计，将借此与大清兵抗衡。

天命六年(1621年）三月十日，努尔哈赤亲率大军进攻沈阳。沈阳城经过熊廷弼的修缮，异常坚固，城外有品坑，内置尖桩，上覆秫秸，以土掩之，又有城壕一道，内外竖有栅术。近城复有城壕二道，阔五丈，深二丈，均有尖桩，内筑拦马墙一道，间留炮眼，排列战车枪炮。明军将士在城上布阵固守。后金军先是诱使总兵官贺世贤出城迎战，继之用楯车攻城，战斗激烈，在此关键时刻，城内蒙古人叛变内应，砍断绳索，放下吊桥，后金军蜂拥而入，攻占了沈阳城。明将陈策等人率军救援沈阳，又在浑河岸边展开激战。曾使后金兵一再受挫，最后虽因寡不敌众而全军覆没，但后金军损失也不少。

努尔哈赤在夺取沈阳后，立即召集诸王大臣会议，决定乘胜攻打辽阳。十九日，后金军进抵辽阳城下。明辽东经略袁应泰率总兵官侯世禄、李秉诚、梁仲善、朱万良出城五里迎战，试图趁后金兵立足未稳，先发制人，可惜没有成功。第二天，后金兵分成两路，在努尔哈赤指挥下攻城，明辽阳守将弃城逃跑，军心动摇。第三天傍晚，后金兵从小西门攻入，城中大乱，袁应泰率军苦战失败，自杀。辽阳为后金所有。接着，后金军席卷辽河以东的海州、盖州等70余城。此时，努尔哈赤作出迁都辽阳的决策，并在辽阳城东北5里的地方修建新城，因位于太子河东，故又叫东京城。

天命七年（1622年），努尔哈赤率军渡过辽河，进攻辽西。明军连遭败绩，广宁失守，有四十余城堡不战而降。