在茅元仪的推动下，孙承宗于九月初八日第二次巡视宁远，正式决定以宁远为核心防御支点。
随后，在袁崇焕与茅元仪的推荐下，满桂出任宁远守将，袁崇焕也亲自出驻宁远。
与满桂、祖大寿（时名祖天寿）等人共同规划修筑城池与部署防卫事宜。
经过一段时间的经营建设，宁远城逐渐繁荣，“商旅辐辏，流移骈集，远近望为乐士”。
“军民五万余家，屯种至五十里，远近莫不归附”。
袁崇焕甚至得意地给内阁辅臣写信称：“不肖在宁远，长安（代指北京）可高枕而卧也！”
天启四年，孙承宗安排袁崇焕卸任山石兵备道，专门负责宁前等处兵备、屯田、马政事务。
任内，他积极监督筑城、煮盐炼铁、兴办屯田、操办马政、修造舟车、核兵定饷、筹备粮料、演练车战、招抚蒙古、谋划战守，全力协助孙承宗构筑关宁锦防线，成为孙承宗督师期间“最托重者”。
九月，袁崇焕升任正四品兵备副使，后又晋升为从三品山东布政司右参政，兼按察司佥事。
十月二十二日，袁崇焕得知父亲去世的消息，准备回乡守孝。
行至丰润县时接到“夺情起复”之命，他先请求完成守孝，后又请求给予假期，均未获批准，最终于十一月二十三日返回任上。
天启五年九月，明军在柳河之役中战败，袁崇焕迅速采取行动，阻挡奔溃的士卒，令他们返回各自防地坚守，从而保全了关外诸城。
十月，孙承宗引咎辞职，袁崇焕对此深感失望，见到孙承宗时不禁落泪，甚至请求与他一同辞职。
新任辽东经略高第到任后，立即下令锦州、右屯卫、宁远、前屯卫等处军民迁入关内，打算放弃关外所有土地。
袁崇焕坚决反对，上揭帖抗议，认为锦州、右屯、大凌三城不可轻易弃守。
若弃守不仅会“示敌以弱，非但东奴（后金），西虏（蒙古）亦轻中国”，还会导致“宁（远）、前（屯卫）震惊，（山海）关门失障”。
他还坚定表示：“宁前道当与宁前为存亡，如撤宁前兵，宁前道必不入，独卧孤城，以当虏耳！”
高第无法强迫他撤离，最终关外诸城仅剩宁远仍在明军坚守之下。
十二月，广西道御史王珙上疏称赞袁崇焕“清操伟略”，请求为其升官，明廷遂升袁崇焕为山东按察使（正三品），仍负责宁前道事务。
天启六年正月十四日，已四年未大举攻明的努尔哈赤亲征辽西，十七日渡过辽河。
正月十八日，袁崇焕得知后金军渡过辽河的消息。
立即展开军事部署：命满桂负责全城防务，重点防守东南首冲之地；
左辅负责城西防御；
祖大寿负责城南防御；
朱梅负责城北防御；
管炮官彭簪古与自己在邵武任职时收留的家丁罗立分别负责红夷大炮（西洋大炮）的发射。
战略上，他采取坚壁清野之策，焚毁城外民居与粮草储备，计划借助十一门红夷大炮的威力击退敌军。
袁崇焕在申明备战情况的揭帖中强调：
“本道（袁崇焕自称）定与此城为存亡，而本道申明内有各将领或守或援，俱当与本道为存亡。
结连一处，彼此同心，死中求生，必生无死。
但恐贤愚不一，除临阵退缩，本道法所得及，径于军前诛之。”
为坚定将士守城决心，他诛杀临阵退缩的逃兵。
还向驻守前屯卫的总兵赵率教、山海关总兵杨麒发布檄文，称凡遇到逃兵即以间谍论处、逮捕处死。
若有一兵溃入前屯卫、一卒逃进关内，便追究赵率教、杨麒二人之罪。
他又写信给山海关管关主事陈祖苞，嘱咐其不可放过改换装束潜逃的兵士，在一系列举措下，宁远将士“皆无退志”。
此外，袁崇焕还当面恳请经略高第不要出兵援助，以谋求“置之死地而后生”；
战前动员时，他刺血为书，向全体将士下拜，甚至以草为食激励将士：
“苟能同心死守，吾为牛羊以报，亦所甘也！”
将士们深受感动，纷纷请求拼死一战。
正月二十三日，努尔哈赤率领大军抵达宁远城下，驻扎在城西北五里外，谎称自己有二十万大军，试图劝降袁崇焕。
袁崇焕回信驳斥，称努尔哈赤兵力不过十三万，坚决拒绝投降。
二十四日拂晓，后金军开始攻城，当时袁崇焕正与朝鲜贡使的译官韩瑗等人谈笑风生。
听到炮声后，他笑着对受惊的韩瑗说：“贼至矣！”
接下来三天，努尔哈赤以楯车和重骑兵猛攻宁远，袁崇焕指挥明军用红夷大炮、火铳等火器猛烈还击，同时不断用石块堵塞后金军在城墙上凿开的缺口。
宁远军民的顽强抵抗给后金军造成重大伤亡，努尔哈赤不得不于二十七日决定撤回沈阳。
撤军前还派兵渡过结冰的海面，屠杀觉华岛上的全部军民以泄愤。
此前明廷对宁远防守本不抱希望，然而袁崇焕却指挥明军取得了萨尔浒之战以来对后金正面交锋的首次胜利，此次战役被明方称为“宁远奇捷”或“宁远大捷”。
捷报传至北京，朝野上下欢欣鼓舞，明天启帝评价“此七八年来所绝无，深足为封疆吐气”，并加授袁崇焕都察院右佥都御史衔。
此后，袁崇焕上疏请求辞职回乡完成守孝，天启帝未予批准；
三月初九日，又任命他巡抚辽东、山海等处，赋予其便宜行事之权；
四月，再加授兵部右侍郎兼都察院右佥都御史，恩荫一子世袭锦衣卫正千户，赏赐白银四十两、纻丝三表里。
宁远之战后，袁崇焕计划统一辽东事权，这一想法得到兵部尚书王永光的支持。
双方开始讨论裁撤经略及总兵、将辽东事务全权交由辽东巡抚负责的计划。
但天启帝并未采纳这一建议，反而先派六名宦官充当监军，后又将经略改为督师，任命王之臣取代高第出任督师，位在袁崇焕之上。
同年夏季，袁崇焕麾下两员重要将领——驻守前屯卫的赵率教与驻守宁远的满桂爆发矛盾。
袁崇焕偏向赵率教，向明廷请求让赵率教统领关外兵马，将满桂调离。
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