天启元年三月十三日，后金攻陷沈阳，尤世功、贺世贤部覆没，之后浑河血战陈策、童仲揆部精锐亦覆没。沈阳丢失辽阳门户大开，而此时辽阳城中兵只剩不到万人，情急之下袁应泰弃守奉集堡、虎皮驿等地，调朱万良、姜弼等部汇合于辽阳补充兵力。
三月十八日，努尔哈赤率八旗兵与沈阳降军携带城中火器进发辽阳并于十里河驻扎，十九日午时开始横渡太子河抵达辽阳城外。此时袁应泰也做出相应部署，跟沈阳一样，他没有选择凭城固守，而是调集城内候世禄部、李秉诚部、梁仲善部、姜弼部、朱万良部和参将周世禄部所有机动战兵出城列阵野战，他自己亲率明军出战，另派巡按张铨在城墙上指挥守军配合。
努尔哈赤见明军出西门列阵对战，努尔哈赤先派两黄旗进攻明军，双方对冲两次，后金黄旗兵不敌败走，明军大众追杀。
但是努尔哈赤并不慌乱，其余各旗士兵也没有丝毫影响动摇，并很快在努尔哈赤的指挥下做出反应，白旗、红旗、蓝旗后金兵避开黄旗方向整队前进，在靠近明军后并没有进行攻击，而是各派一路火铳兵在前对着追杀而来的明军进行齐射，明军在火器打击下攻势被遏制，各旗后金兵却趁势冲锋整队攻入明军阵列，明军大败退回城墙处。
后金兵乘胜进攻小西门，明军城外城上兵齐发火器药箭拒守，后金兵攻城失败退走，之后袁应泰留下一部分士兵防守西门外壕沟，率领其余明军入城，努尔哈赤将八旗兵在东、西、北三面设置四个营寨将辽阳包围。
三月二十日卯时，努尔哈赤再次攻城，命令左翼四旗兵进攻西门城壕与出水口，右翼四旗兵携带盾车进攻东门堵塞入水口。
袁应泰鉴于十九日明军出城与城上守军配合击退后金的战术取得成功，于是这次故技重施，再次派明军出东门列阵分枪炮三层与努尔哈赤右翼四旗兵对战，并且派出自己招募的“虎威军”家丁助战，结果这些人刚一接战就丢下步兵溃逃，被卖的明军步兵在这种后方奔溃的情况下却表现出了一些坚韧，继续维持阵列接战。
后金四旗兵从容列阵，一边投射一边前进，随后努尔哈赤派沈阳降军移动炮车过河到东山上设立火炮阵地，对着明军步兵一阵猛轰，明军纷纷逃散。
出城明军溃败后，后金左右翼八旗兵猛攻东西两面，西门四旗兵被明军用火箭烧退，无奈之下报告努尔哈赤请求更改军令为夺桥被应允。
这一行动很快奏效，后金兵成功夺取西门桥而入，随后分兵两部分别攻城并进攻留守在壕沟内的明军。西门壕沟内的明军依靠弯曲通道或明或暗与后金兵搏斗，城上明军也发射火炮火铳进行支援。后金兵反而陷入的多重打击之中，于是左翼四旗兵放弃夺取壕沟，将重点放在了进攻西门上，于是将云梯攻车等战具运来登城。
西门守军奋力据守。火器连发不绝，然而战况激烈之下出了一个很大的岔子，西门火药不知道什么原因被意外点燃，城上引起连环爆炸，守城川兵大多被炸死，敌台、窝铺、城楼也被大火焚烧，不久后火势又蔓延到城内房屋，一发不可收拾。
袁应泰见事态紧急，慌忙连发红旗令箭催调各监军道组织城外各营兵救援西门。监军牛维曜骑马从小南门出城赶往东门，结果路上被刀箭重伤坠入护城河中，还好随从及时把他捞了出来才没被淹死。牛维曜带伤突破重围赶到东门，结果四顾之下发现城外明军早就陷入混战当中，各营兵或死或溃，根本组织不起来，此时城内也已经大火熊熊内应乱起高呼辽阳已陷，无奈之下和城外的明军一起逃走被后金兵追杀六十多里到鞍山。
后金左翼四旗兵趁此机会成功登城西门，并顺着城墙进攻并于酉时占据了两道城墙。
努尔哈赤的右翼四旗兵此时还在东门填壕沟，接到左翼的战报后下令右翼兵停止进攻东门，全部去西门登城支援，袁应泰自杀，张铨退守衙署，明军万余人与百姓数万突围向着山海关逃去。
虽然辽阳城破，抵抗却并没有停止。城内没有逃走的明军持火执杖与后金兵进行了一夜的巷战，二十一日天明后努尔哈赤将入城的后金兵集合起来整兵列盾与城内明军又进行了一次大战，并派城外后金兵登城支援进攻城墙上据守的明军残兵，直到张铨被俘，这才彻底攻下了辽阳。
努尔哈赤本想招降张铨，张铨曰：“我受我皇深恩厚禄为生，今若受尔养育而苟活之，则将遗臭后世。尔虽欲养之，但我不欲生而愿一死。养则尔名遐播，死则我名垂世。”其抿不跪见。汗曰：“不战而降，自宜优待。
战而被擒之人，若有不惜身命，而情愿一死者，恩养之何为？”努尔哈赤说的挺光棍，就下令杀了张铨，皇太极还是有些想法，于是继续招降张铨，并用宋徽宗、宋钦宗做例子：汗之子四贝勒，怜惜张铨而欲养之，乃引古昔之例曰：“昔尔赵徽宗、赵钦宗二帝，为我金汗所擒，亦曾屈膝叩见，故携至我处，授之为王矣，尔何不屈耶？实我愿尔生之，故此劝谕。”
张铨对曰：“对王尔之教言，我虽死不忘。尔之劝我，无非欲我生也。该徽宗、铨宗二帝，乃乱世之弱君耳，我断不敢屈膝求生，辱我大皇帝之尊。
留我十日，尚可，过此，我即求一死。所谓养我，乃为后世之民众也！前任各员，皆昏昧不悟，故人亡惨重。以我观之，当今之战，复致伤生，战而无益。我为使民众免遭伤亡，而愿以我之令名，流传於后世。我死，我之五子、妻、母俱可保全，若受尔养之，则我之亲族后代皆将死颖！故我情愿一死。”於是赐缢张铨而葬之。…………………………
虽然辽阳失陷，但此时在路上还有个叫张神武的人带着援辽军令往辽阳而来。张神武带着两百四十名家丁出山海关入援辽阳协助防守，没想到的是形势急转而下，张神武刚到广宁就接到辽阳陷落的消息，袁应泰也自焚而死。出兵任务已经失败，接下来何去何从呢？巡抚薛国用建议张神武就留在广宁等待新的命令，张神武听后却拒绝了他，薛国用很不理解问他原因，张神武回答:“我接到的军令是支援辽阳协守，而不是驻防广宁，因此我不能接受。”薛国用更不理解了，问道:“如今辽阳已经失守，你还怎么支援呢？”张神武答:“无城可援，唯有杀奴。”
薛国用做出最后努力，劝告说:“区区二百人，如何才能杀敌？”张神武沉凝，答:“不能杀奴，则死之。”在广宁告别巡抚后，张神武带着家丁独自赶往辽阳，在路上碰到了辽沈逃难而来的十几万军民，张神武避开难民找到乱兵主帅，想要说动一起前去辽阳杀敌，他劝说:“辽沈逃难而来的流民加上败兵足有十余万，如果将这些人组织起来何惧敌寇？
即便战败身死也会留下一个忠义的美名，总好过鼠窜偷生。”但这些败兵此时唯一想的只有逃生保命，根本不会在意张神武的激励，拒绝之后继续向西逃了。张神武看着逃命的败兵，勒了勒马缰，继续带着士兵渡河东进，一天之后，没有携带任何粮草的张神武来到距离辽阳仅十七里的首山。
而后金军挟大胜之威，根本没想到还会有明军出现，张神武却没有给他们惊讶的机会，带着二百四十名家丁从首山向着辽阳一路冲突而来，后金军仓惶惊扰之下被明军击杀百十余人，乃至于惊动本阵。但张神武的戎马生涯也仅止于此了，后金军经过慌乱后迅速组织起来，将张神武合围，至此，如他所说，唯死而已。
不知道血战几时，冉绍登等十四名骑士突围而出，张神武和其余二百多人则一同战死沙场，遗体全部散落在辽阳城外。监军御史方震孺接到张神武战死的消息后，找人将给他画了一幅像，并悬挂在军营之中，此后凡出兵必率领将士敬拜忠魂。九月，天启皇帝追赠张神武为都督同知，立祠庙祭祀，并荫一子世袭正千户职位。