天启元年即天命六年（1621）春，努尔哈赤为夺取辽阳、沈阳，进入辽河流域，发动了辽沈之战。他在战前，刺侦情报，厉兵秣马，制钩梯，造楯车，做了精心准备。福余卫头目煖兔名下把速等向明边吏密报：“有达子哈喇等四名持布匹，前往奴儿哈赤家贸易，闻奴酋欲于闰二月来克沈阳。”（《明熹宗实录》第6卷）辽民被后金掳掠逃回者，也“皆言奴酋制造钩梯、营车，备糗粮，将犯沈、奉”（《明熹宗实录》第7卷）。努尔哈赤要夺取辽、沈，先略奉集堡，从而揭开辽沈之役的序幕。
奉集堡是明朝辽东沈阳和辽阳之间的战略要地。熊廷弼言：“沈之东南四十里为奉集堡，可犄角沈阳，奉集之西南三十里为虎皮驿，可犄角奉集；而奉集东北距抚顺、西南距辽阳各九十里，贼如窥辽阳，或入抚顺，或入马根单，皆经由此堡，亦可阻截也。不守奉集则沈阳孤，不守虎皮则奉集孤，三方鼎立。”（《明经世文编》）努尔哈赤探知奉集堡居于辽、沈之中的重要战略地位。明给事中倪思辉言：“奉集居辽、沈之中，奉集危则辽、沈中断，此奴之所眈眈而视也！”（《明熹宗实录》第7卷）努尔哈赤正是要举兵略奉集堡，以武力侦探辽阳和沈阳两城明军的实力。
二月十一日，努尔哈赤率诸贝勒大臣，统左右翼步骑劲旅，分兵八路，略奉集堡，揭开沈阳之役的序幕。守城总兵官李秉诚得八旗兵来攻的哨报，未能固守坚城，凭藉堑濠，施放火炮，抗御敌兵；却领三千骑兵出城六里安营迎战。他先派二百骑兵为前探，与后金军左翼四旗相遇，被击败。后金军驰击，李秉诚率兵拔营入城。后金军追至城下，被城上大炮打死参将一员及兵士多人。时努尔哈赤在城北高冈处指挥。他命第十子德格类等率右翼四旗兵追击明军。明军二万骑溃逃，德格类率骑兵冲杀，至明兵屯聚之所，其众惊遁。明总兵朱万良引师来援，但“见虏而溃，死者数百人”（《明熹宗实录》第6卷）。明监军道高出，得后金军围奉集堡的驰报后，“睨视佩刀，即有意外，引以自裁”（王在晋：《三朝辽事实录》第3卷），完全失去胜利的信心。努尔哈赤在奉集堡进行的一场“矢镞侦察”，获得意外的成功。
后金汗在略沈阳的一支犄角奉集堡五天之后，又攻沈阳的另一支犄角虎皮驿。随之，后金兵又至王大人屯，“往来无定，骎（qīn）图大举”（《明熹宗实录》第6卷）。努尔哈赤麾兵四击，忽东忽西，既试探明军的虚实，又麻痹明兵的警觉，以准备率倾国之师，进取沈阳。
沈阳是明朝在辽东的重镇。三月十日，努尔哈赤亲率诸贝勒大臣，统领八旗大军，将“板木、云梯、战车，顺浑河而下，水陆并进”（《清太祖武皇帝实录》第3卷），向沈阳进发。明军闻警，举燧传报。沈阳守将总兵官贺世贤、尤世功得警报后，连夜率领一万兵丁守城。“沈阳城颇坚，城外浚濠，伐木为栅，埋伏火炮”（《明熹宗实录》第8卷）。城周挖有沟堑，设置陷井，井底插有尖桩，并覆盖秫秸，虚掩浮土。城上环列火器，分兵坚守。
三月十二日，八旗军兵临沈阳城下。努尔哈赤统兵驰至，未敢督兵攻城，先派数十骑隔濠侦探。武举出身的明总兵尤世功，带家丁冲出，杀死四人，略获小胜。努尔哈赤又命“用战车冲锋，马步继之”（《明熹宗实录》第8卷），将沈阳城围困。
三月十三日，清晨，努尔哈赤再派骑兵挑战。行伍出身的总兵官贺世贤勇猛而寡谋，日日饮酒，贪功出城迎战。据《明熹宗实录》记载：
世贤故嗜酒，次日取酒引满，率家丁千余出城击奴，曰：“尽敌而反！”奴以羸卒诈败诱我，世贤乘锐轻进。奴精骑四合，世贤且战且却，至沈阳西门，身已中四矢。（《明熹宗实录》第8卷）
贺世贤从东门退到西门，虽挥铁鞭奋力抵御，但身中数十矢，坠马而死。总兵尤世功出西门营救，士卒哄散，马仆身死。时努尔哈赤一面派精骑追杀贺世贤部众，一面督兵用云梯、楯车攻城。八旗兵从城东北角挖土填濠，城上连发炮，因发炮过多，炮身炽热，至装药即喷。八旗兵乘机蜂拥过濠，急攻东门。此时，城中闻贺世贤兵败，尤世功战死，洶洶溃散，“降夷复叛，吊桥绳断”（《明熹宗实录》第8卷），八旗兵拥门而入，进占沈阳城。明兵民被杀死者，据说有七万人。
时明总兵官童仲揆、陈策等统川浙兵由辽阳北上援沈，行至浑河，得报沈阳已陷。陈策下令还师，裨将周敦吉等坚请进战。先是，明征石砫女土官秦良玉率兵援辽。良玉有胆智，善骑射，兼通词翰，仪度娴雅。且驭部下严，每行军令，上下贯一，军伍肃然，辽东事急，征良玉兵。良玉先遣兄邦屏以数千人行，时已至沈阳。明军遂分为两大营，周敦吉与石砫都司副总兵秦邦屏等率川兵营桥北；童仲揆与陈策等率浙兵营桥南。努尔哈赤得到侦破报后，急命右翼四旗兵前去驰击。明军桥北川兵营结阵未就，被四面围攻，双方开展激战。明军杀死后金兵二三千人，后金军“却而复前，如是者三”；明军饥疲不支，周敦吉、秦邦屏等战死，其余兵将奔桥南浙兵营。后金军渡河后将浙兵营包围数重。这时明守奉集堡总兵李秉诚，守武靖营总兵朱万良、姜弼领兵数万来援，至白塔铺观望不前，及浙兵营被围，始前一战，被后金左翼四旗兵杀三千人，败遁而归。后金军左右两翼遂并攻浙兵营。营中放火器，后金兵死伤枕藉。浙兵营火药罄尽，短兵相接，力战而败。童仲揆、陈策等皆战死。浙兵营虽败，但殊死奋战，极为壮烈。《明熹宗实录》记载：“自奴酋发难，我兵率望风先逃，未闻有婴其锋者，独此战，以万余人当虏数万，杀数千人，虽力屈而死，至今凛凛有生气。”（《明熹宗实录》第8卷）
努尔哈赤攻陷沈阳，击破明两路援军之后第五天，即三月十八日，集诸贝勒大臣道：“沈阳已拔，敌兵大败，可率大兵，乘势长驱，以取辽阳。”（《满洲实录》第6卷）诸贝勒大臣会议同意努尔哈赤的重大军事决策。会后，他亲率八旗军，“旌旗蔽日，弥山亘野”（《清太祖高皇帝实录》第7卷），向辽阳进发。
辽阳是明朝辽东的首府，是东北政治、经济、军事和文化的中心。辽阳城坚池固，外围城濠，沿濠列火器，环城设重炮。沈阳、奉集陷落后，辽阳失去屏障——“初，辽阳恃沈阳、奉集二城为藩蔽，而沈东捍建州，西障土蛮，较奉集更重。沈阳既陷，奉集失犄角之势，亦没。时骁将劲卒，皆萃沈、奉，辽兵不满万”（《明史纪事本末》）。经略袁应泰得到沈阳失陷的败报之后，急檄撤各路兵守辽阳。他下令引太子河水注濠，缘城布兵，加强防守。
三月十九日，包围辽阳。后金军出虎皮驿，渡浑河之后，扑向辽阳。经略袁应泰督侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、朱万良五总兵等率兵出城五里处结阵，与后金军对垒。后金兵见辽阳城池险固，兵众甚盛，多意沮欲退。这时，据《光海君日记》载：“老酋曰：‘一步退时，我已死矣。你等须先杀我，后退去。’即匹马独进。”努尔哈赤并麾左翼四旗兵进击，明军发炮接战。后金军火器齐放，拥众冲杀，明军营乱，开始溃散。后金军乘胜追击六十里，至鞍山胜利返回。同时，辽阳西关出援的明兵，也被后金军击败。是夜，明兵在城外扎营，经略袁应宿营中。努尔哈赤也在包围辽阳的八旗军中过夜。
三月二十日，两面攻城。明军兵力重点放在东门和小西门。明兵先在东城门，列队放火炮，反击后金军。努尔哈赤命后金兵分左右两翼，右翼四旗兵攻打东门，左翼四旗兵攻打小西门。明军发火箭抗击，后金兵稍受挫。努尔哈赤在右翼指挥，命右翼分兵堵塞城东入水口，左翼分兵挖开小西门闸口以泄濠水。当入水口被堵住，城濠开始干涸时，他又命右翼四旗兵推楯车攻城。明军排列三层，施放火器抵御。后金兵呼喊而进，明骑兵先动摇，步兵坚持作战。后金兵发动强攻，明军步兵受挫败退。明总兵梁仲善、朱万良战死，步骑兵大溃，望城而奔，被杀溺死者甚众。袁应泰退入城内，与巡按御史张铨分陴（pī，女墙）固守。
在右翼四旗兵攻打城东门的同时，左翼四旗兵在攻打小西门。明军在城上放火箭，掷火罐，隔濠射击，奋力守御。左翼军派骑向努尔哈赤驰报：小西门桥能夺下来！努尔哈赤命令道：“你们试夺桥入！”（《满文老档·太祖》第19卷）莽古尔泰贝勒、阿敏贝勒遂率兵冒炮火夺桥。扬古利奋勇陷阵，夺桥渡河，近城强攻。城上万矢下射，后金兵奋死前进。傍晚，左翼军竖云梯，列楯车，登城而上，同城垛守军展开肉搏战。明军提灯夜战，直至天亮。明监司高出、牛维曜、胡嘉栋及督饷郎中傅国等乘乱缒城而逃，人心离沮。
三月二十一日，攻陷辽阳。努尔哈赤督率左右翼军发起总攻。袁应泰列楯大战，又败。明军从城上扣弦发矢，进行抵御；后金军尽锐环攻，奋死夺城。傍晚，小西门火药起火，各军窝铺、城内草场俱焚，守城军士溃乱。先是，袁应泰仁柔，纳贺世贤用降夷之说，至是，“堕奴计也”（《明熹宗实录》第8卷）。城外后金军夺门，城内谍工巨族内应：
薄暮，谯（qiáo）楼火，大清兵从小西门入，城中大乱，民家多启扉张炬以待，妇女示盛饰迎门，或言降人导之也。（《明史·袁应泰传》第254卷）
袁应泰见城楼起火，知城陷，在城东北镇远楼上，佩剑印，自缢死，其仆纵火焚楼。辽东巡按御史张铨被俘，李永芳劝降，不服；努尔哈赤诱以高爵，也不从，被缢死。后金军攻陷辽阳城。
后金连陷沈、辽，“河东十四卫生灵尽为奴属”（《明熹宗实录》第9卷）。努尔哈赤夺取辽阳之后“数日间，金、复、海、盖州卫，悉传檄而陷”（王在晋：《三朝辽事实录》第4卷）。据《清太祖武皇帝实录》记载：
辽阳既下，其河东之三河、东胜、长静、长宁、长定、长安、长胜、长勇、长营、静远、上榆林、十方寺、丁字泊、宋家泊、曾迟、镇西、殷家庄、平定、定远、庆云、古城、永宁、镇夷、清阳、镇北、威远、静安、孤山、洒马吉、叆阳、新安、新奠、宽奠、大奠、永奠、长奠、镇江、汤站、凤凰、镇东、镇夷、甜水站、草河、威宁营、奉集、穆家、武靖营、平虏、虎皮、蒲河、懿路、汛河、中固、鞍山、海州、东昌、耀州、盖州、熊岳、五十寨、复州、永宁监、栾古、石河、金州、盐场、望海埚、红嘴、归服、黄骨岛、岫岩、青台峪等大小七十余城官民，俱剃发降。（《清太祖武皇帝实录》第3卷）
努尔哈赤攻占辽阳，下令汉民剃发，以示归顺。他利用已降顺的通判黄衣，剃去头发，披红蟒衣，骑着骡子，沿街游说。但受到汉人的唾弃。
明军长于守城，短于野战，而后金军长于野战，短于攻城；但后金军却能以短击长，在十天之间，连陷沈阳和辽阳。这固然由于明朝政治腐败，失去民心，经略易人，士气不振，经镇不和，滥收降人，情况不明，指挥失措；后金战机有利，将士勇猛，兵力集中，准备周详，战术灵活，上下一心，器械精利，指挥得当。但是，更由于努尔哈赤的策略有两个显著的特点，其一是，诱敌出城，歼其精锐。如沈阳的贺世贤，辽阳的袁应泰，都误堕其计。这就变敌之长为短，而使己之短为长。其二是，用计行间里应外合。朝鲜《光海君日记》载义州府尹郑遵驰启：辽阳和沈阳“城中（人）受虏间金，开门引入，经略袁应泰、总兵贺世贤死之。盖奴贼攻城非其所长，前后陷入城堡，皆用计行间云”（《光海君日记》第163卷）。这是一语中的之言。明朝官员在疏奏中也指出：
臣闻攻城而破者矣，未闻不攻而破者也。沈阳以吊桥绳断破，说者谓降夷实为之。辽以角楼火起破，的系辽人为内应。闻辽城中私通李永芳者凡数十家，相与约期举事。（《明熹宗实录》第9卷）
努尔哈赤从夺取明朝辽东第一座城堡抚顺起，中经开原、铁岭、沈阳，直至辽东首府辽阳，都是用计行间，里应外合而得手的。他既占领辽河以东广大地区，更涎贪河西，便兵指辽西重镇——广宁。