天啟三年（1623年）九月，孫承宗決定鎮(zhèn)守寧遠(yuǎn)，僉事萬(wàn)有孚、劉詔極力勸阻，但孫承宗執(zhí)意前往，并命滿(mǎn)桂與袁崇煥一起前往。袁崇煥到任后，發(fā)現(xiàn)祖大壽奉孫承宗命修筑的城墻不合規(guī)格，于是袁崇煥制定規(guī)格重新修筑，并命祖大壽與參將高見(jiàn)、賀謙督工。
天啟四年（1624年），寧遠(yuǎn)城的修筑竣工，在滿(mǎn)桂與袁崇煥的努力下，寧遠(yuǎn)被倚為關(guān)外重鎮(zhèn)，將士們樂(lè)于為其效命，商旅百姓以及流民將寧遠(yuǎn)視為樂(lè)土。同年九月，袁崇煥偕同大將馬世龍、王世欽率水陸馬步軍一萬(wàn)二千巡視廣寧，拜謁北鎮(zhèn)祠，經(jīng)過(guò)十三山，抵達(dá)右屯，就由水路在三岔河乘船而回。以袁崇煥防守的功勞，先后晉升為兵備副使、右參政。
天啟五年（1625年），孫承宗與袁崇煥定下計(jì)策，派遣將領(lǐng)占據(jù)錦州、松山、杏山、右屯及大、小凌河等地，并修繕城防長(zhǎng)期駐守，寧遠(yuǎn)因此成為內(nèi)地，開(kāi)疆復(fù)土兩百里。同年十月，孫承宗遭到罷免，高第接替其職。高第認(rèn)為關(guān)外一定會(huì)守不住，命令軍隊(duì)全部撤出錦州及右屯等地，督屯通判金啟倧上書(shū)給袁崇煥說(shuō)：“錦州、右屯、大凌三城都是前鋒要地，如果撤兵，已經(jīng)安居的百姓將再次被遷徙，收回的疆土再次淪陷，關(guān)內(nèi)外經(jīng)得住幾次退守？”袁崇煥也向高第極力爭(zhēng)辯：“兵法上說(shuō)，有進(jìn)無(wú)退，收回的疆土怎么能輕易放棄？錦州、右屯動(dòng)搖，寧遠(yuǎn)便會(huì)難保，進(jìn)而使關(guān)門(mén)失去了保障。這些地方只需要派遣良將守衛(wèi)，就不需要太多的顧慮。”但高第執(zhí)意要撤離，并且想要撤掉寧遠(yuǎn)的軍隊(duì)，但袁崇煥表示寧愿死在寧遠(yuǎn)，也不愿撤離，高第無(wú)法強(qiáng)迫袁崇煥，于是將錦州等地軍民盡數(shù)撤離，丟棄米粟十余萬(wàn)，在遷徙路上死亡的人非常多，哭聲震野，軍民怨聲載道，袁崇煥于是請(qǐng)求回家為父守喪，但遭到拒絕。同年十二月，袁崇煥升為按察使。
天啟六年（1626年）正月，努爾哈赤得知孫承宗被罷免，于是率領(lǐng)大軍西渡遼河，二十三日，后金軍抵達(dá)寧遠(yuǎn)，經(jīng)略高第和總兵楊麟擁重兵于山海關(guān)，不去救援寧遠(yuǎn)。袁崇煥得知后，隨即寫(xiě)下血書(shū)，與大將滿(mǎn)桂，副將左輔、朱梅，參將祖大壽，守備何可綱等將士盟誓，以死守城。袁崇煥一面堅(jiān)壁清野，一面讓同知程維楧盤(pán)查奸細(xì)，通判金啟倧守護(hù)糧草，并傳檄給前屯守將趙率教、山海守將楊麒，如果有將士逃到這里，可將其全部斬殺。
努爾哈赤將抓到的明朝百姓放回寧遠(yuǎn)，并讓其勸袁崇煥投降，但遭到袁崇煥的拒絕。于是努爾哈赤舉大軍進(jìn)攻寧遠(yuǎn)城，并讓士兵舉著盾牌攻鑿城墻。而袁崇煥讓羅立等人指揮西洋巨炮，炮轟后金軍，后金軍在巨炮的攻擊下潰不成軍，連續(xù)攻城兩天，損失慘重，努爾哈赤于是下令退軍。但名將金啟倧卻因?yàn)辄c(diǎn)火炮時(shí)引起自燃而死。寧遠(yuǎn)保衛(wèi)戰(zhàn)勝利后，明廷舉朝歡喜，升袁崇煥為右僉都御史。
