朱万良与女真军遭遇后，已意识到中计，努尔哈赤布下的圈套，正是为了围歼出城的明军。与浑河边表现迥然不同，朱万良整整支撑了大半天，最后在女真军优势兵力冲击下全军覆没，朱万良阵亡。

朱万良阵亡后，剩下的明军迅速溃败，辽阳的守军被削弱，努尔哈赤达到了战略目的。

袁应泰调集城内机动兵力，率领侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、周世禄等大小将领领兵五万余出城列阵，留巡按张铨在城墙上指挥守军配合作战。努尔哈赤派兵迎战，两军互有胜负。

天启元年3月20日，袁应泰带着精锐家丁虎旅军，亲自率军出东门列阵。

在交战之初，明军打得有声有色，抵挡住了女真兵的冲击。但时间一长，明军战斗意志不如女真八旗的弱点就暴露出来。

偏偏这时，城里又出了纰漏。西门堆积的火药被意外引燃，城头爆炸声不绝，守城士兵被炸倒不少，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。这就是火器不靠谱引发的悲剧。

城上的动静引起连锁反应，城外坚持抵抗的明军军心动摇，只有袁应泰的虎旅军奋战不止，掩护袁应泰撤回城内后，全军覆没。

袁应泰逃回城内，发觉事态已无法控制，城内城外明军各自为战，陷入混战之中。只有总兵杨宗业、梁仲善率部苦斗，力尽而亡，其它的士兵则是一哄而散。

在城内奸细的接应下，攻打西门的女真八旗进入辽阳城，明军再也无力把突入的女真八旗赶出去。

天启元年3月21日，女真八旗大队人马入城，袁应泰、张铨督兵死战一天后，大势已去，辽阳失陷只是时间问题。

袁应泰与妻弟姚居秀一起自缢殉国。他的老仆唐世明也跳入火海殉节而死。

张铨抵抗到最后被俘，拒绝招降，自缢殉国。分守道何廷魁、监军道崔儒秀皆不愿投降而殉节。

辽阳之战朱万良、杨宗业、梁仲善三位总兵官阵亡，高出、胡嘉模、韩初命、张慎言、牛维跃五人在战事不利，胜负未分时就溜之大吉。总兵侯世禄、姜弼及以下数万士兵战败后突围。

努尔哈赤围城打援，里应外合，九天之间连克沈阳、辽阳。周边大小七十余城堡再也无力抵抗，纷纷投降。失去庇佑的明朝军民如潮水一般退往辽西避难。

天启元年3月22日，努尔哈赤在辽阳举行了盛大的入城仪式。

辽阳和沈阳的失陷，标志着明朝在辽东统治的结束，也标志着努尔哈赤在辽东地区统治的建立。对女真来说，萨尔浒是生存之战，辽沈战役才是一次真正的立国之战。从此，南自金州、西至辽河的广大地区成为女真国土。

辽沈战役是女真与大明兴亡的转折点，此后的形势对大明极为不利。