第二天，努尔.哈赤派兵掘开城西闸门排除城壕内积水，又派兵守住城东水口，然后亲率大军渡护城河大呼而到城下。
袁应泰连忙让军士们应战，但此时的明军已经军心不稳，加之昨日的大败，畏战情绪满溢，虽然双方鏖战很久，但最后明军还是伤亡惨重，大败。
见状，袁应泰只得下令退守城内，与巡按御史张铨等分陴固守。
不过监司高出、胡应栋等见形势不妙，纷纷翻城墙逃走，辽阳城内人心顿时离散。
努尔.哈赤听闻城中情况，便不再着急攻城了，于是下令围困辽阳，大军修整两日。后金军经过连日作战，早已疲惫不堪，他准备稍事修整后，便一鼓作气的那些辽阳。
二月二十三日，经过短暂修整后的后金军士气大振，于是努尔.哈赤便下令攻打辽阳城。
袁应泰督率军士持盾牌大战，不过他着实不适合领兵作战，不就便又败下阵来。除侯世禄、姜弼二人身负重伤，被部下护着溃围而出外，其余将领皆战死。
到了傍晚时，更楼起火，努尔.哈赤派军从小西门进城，城中大乱，很多居民点灯等待后金军，妇女也盛装在门前迎接，据说这是蒙古人所引导的。
袁应泰在城楼上见此情况，觉得大势已去，无法挽回，此刻的他才忽然惊觉自己没有军事指挥的才能，与前任辽东经略熊廷弼相比更是相去甚远。
想到此，他便叹息着对一旁巡按御史张铨说道：“张大人，你没有守城的责任，赶紧走吧！”
“大人，下官带您一起杀出去！”张铨闻言连忙说道。
袁应泰闻言却是摇头苦笑道：“我走不了了，熊廷弼好不容易稳固住的辽东态势，尽丧与我之手，我无颜去面对对我寄予厚望的陛下。”
“大人，.........”
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“哈哈哈~”等张铨离开后，袁应泰顿时放声大笑，随即又大哭着朝京城所在的方向跪下，哭喊道：“陛下，臣有负于圣恩，辜负了您的重托，臣这就去了。”
说着，他郑重的磕了一个头后，随即起身整了整衣冠，配上天启赐的尚方宝剑、官印等，就在城楼上自缢而亡。
听闻袁应泰已经殉国，天启帝朱由校叹了一口，摆了摆手说道：“罢了，袁经略既然已经守节，那..........”
张铨闻言准备再劝慰，袁应泰却摆了摆手打断道：“张大人，趁现在局势混乱，你赶紧带兵杀出去吧，去西宁堡，那里有秦良玉的白杆兵在，一时无碍，走吧，再不走就来不及了。”
“大人保重！”张铨见袁应泰决心已定，并不再相劝，拱手郑重的对袁应泰行了一礼后，便转身离开了。
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