和满桂冲突时，袁崇焕相当支持他。赵率教感恩图报，又得袁崇焕时时勉以忠义，到锦州大战时，他突然之间似乎变了一个人。他和前锋总兵左辅、副总兵朱梅等率兵奋勇死战，和皇太极部下的精兵大战三场，胜了三场，小战二十五场，也是每战都胜。从五月十一打到六月初四，二十四天之中，无日不战，战况的激烈，不下于当年宁远大战。六月初四那天，皇太极增兵猛攻。锦州城中放西洋大炮，又放火炮、火弹和矢石，清兵受创极重。攻到天明时，皇太极见支持不住了，只得退兵，退到小凌河扎营，等候各路兵马集中整编。
赵率教转怯为勇，自见敌潜逃到拚死守城，自畏缩不前到激战二十四日，到后来更在保卫北京之役中血战阵亡，终于在历史上与满桂齐名，成为当时的两大良将。他这个重大转变，非常突出的证明了袁崇焕的领导才能。
皇太极整理好了部队，转而去攻宁远。
清军上次在宁远吃过败仗，兵将心中对袁崇焕都是很忌惮的。大贝勒代善见城中有备，就勒兵不攻。皇太极对诸将说：“先汗攻宁远不克，这次我攻锦州又不克，若再攻不下宁远，我可要声名扫地了。”于是下令总攻，击破城下明军骑兵，直薄城壁。
比之第一次宁远之战，袁崇焕部的战斗力已有增强，敢于到城外决战了。上次要清军退后，才派五十名敢死队缒到城下拾箭枝，可见不敢开城门。
这次满桂率领明军在城南二里列阵，城墙下环列枪炮。皇太极佯败，想引明军来攻，然后伏兵齐起。但明军没上当，守垒不追。皇太极于是回军再战。
袁崇焕亲上城头督战，大声呼叫。满桂战于城外。祖大寿、尤世禄回师攻击清兵后路。双方死伤均重，满桂身中数箭。明军野战终于打不过清军，于是退入城中据守。这场大战打得十分惨烈，城壕中填满了两军兵将的死尸。
守军又以葡萄牙大炮轰击，击碎清方大营帐一座及皇太极的白龙旗，杀伤清兵不少。明方的报告说，皇太极长子召力兔贝勒胸口中箭，另一子浪荡宁古贝勒在阵上被明军射杀，又杀固山（领七千五百人，相当于团长）四人、牛彔（领三百人，相当于营长）三十余名。这报告失之夸大，事实上并无皇太极的儿子在此役中阵亡。但清方纪录中也说：济尔哈朗贝勒、萨哈廉贝勒、大将瓦克达、阿格等均受伤。
皇太极见部队损失重大，只得退兵，再攻锦州南面，亦不能拔，将士又遭到不少伤亡，将领觉多拜山、巴希等阵亡。七月，清兵败回沈阳。
这一役明朝称为“宁锦大捷”，是明军对清军第二次血战胜利。
袁崇焕在报功的奏章中，力称功劳最大的是满桂。[66]他和满桂向来颇有意见冲突，但在奏章中力称宁远大捷以满桂之功居多，可见光明磊落，大公无私。
第一次宁远大捷是天启六年正月，第二次宁锦大捷是七年五月，相隔一年零四个月。在这短短的十六个月之间，袁崇焕加强了明军的战斗力，抢筑了锦州的防御工事，固守在清军的后路，使皇太极有后顾之忧，不敢久攻宁远。同时清军先攻锦州不克，再攻宁远，气势已挫。可见袁崇焕这十六个月中的准备工作收到了很大成效。如果能多一些和平时期，局面当然更有改进。
这一仗大捷，葡萄牙的红衣大炮是有功劳的。明朝这时本来已驱逐了葡萄牙人的天主教传教士。传教士波尔、米克耳两人见到明清交兵，有机可乘，便发动澳门的葡人，向明朝提供军费和炮手。明朝于是召还已驱逐了的教士。本来秘密传教变成了公开，大批葡萄牙教士和炮手进入中国。[67]后来中国在外国教士和技师指导之下自行铸炮。所铸成的大炮也封了官，称为“安国全军平辽靖虏将军”，还派官祭炮，请将军发威破敌。满人要直到数年之后，才因投降的明人之助而开始铸造大炮。
袁崇焕在政治上属于魏忠贤的敌对派系。他中进士的主考官韩爌、保荐他的御史侯恂等都是东林党的巨头。袁崇焕当然不肯克扣军饷去孝敬魏忠贤。但为了大目标是守御锦州、宁远，他也相当的委曲求全。各省督抚都为魏忠贤建生祠，袁崇焕如果不附和，立刻就会罢官，守御国土的大志无法得伸，因此当时也只得在蓟辽为魏忠贤建生祠。这座生祠，圣旨题名曰“懋德”。
但魏忠贤仍是不满意。所以虽有宁锦大捷，袁崇焕却得不到什么重赏，只升官一级。奉承魏忠贤的官员却有数百人因此大捷而升官，理由是在朝中策划有功，连魏忠贤一个尚在襁褓中的婴儿从孙，也因此而封了伯爵。魏忠贤是太监，没有儿子，只好大封他侄儿，封他侄儿的儿子。
魏忠贤这时更叫一名御史弹劾袁崇焕主张和议，“设策太奇”，攻击他没有去救锦州。袁崇焕在这样的压力之下，只得自称有病，请求辞职。魏忠贤立刻批准，派兵部尚书王之臣去接替。[68]
皇太极听到这个消息，当然是大喜若狂，而听到加给袁崇焕的罪名与评语竟是“暮气”两字，恐怕大喜之余，却也不免愕然良久吧？袁崇焕这样的人竟算“暮气沉沉”，却不知谁才是“朝气蓬勃”？
袁崇焕离开宁远时，心中感慨万千，可想而知。那时他还只四十三岁，方当壮盛的英年，正是要大展抱负的时候。立了大功反而被迫退休，他的部属将士既感诧异，更是忿忿不平。他写了一首诗给一个部将，诗中说：我们慷慨同仇，间关百战，功劳不小，皇上的恩遇也重。但我的苦心，却只有后人知道了。建功立业固然很好，回家休养也算不错。对于我的去留，大家不必感到不平罢。这首诗显得很有气度。[69]
不过他对于天启皇帝，还是十分感激的。他本来是一个七品知县，自天启二年到七年夏天，短短的五年半之间，几乎年年升官，中间还跳级，直升到“巡抚辽东、兵部右侍郎、兼都察院右佥都御史”，实在算是飞黄腾达。他自觉升官太快，曾上疏辞谢。他说在同中进士的诸同年中，官职最高之人和他也差着好几级，为了要做部属武将的榜样，请皇帝收回升赏的成命。皇帝批覆说：你接连三次谦辞，品德很好，但你功劳大，升官是应该的。[70]
他在回广东故乡途中，经过大庾岭时写了一首诗，感念天启对他的知遇之恩。[71]他心中明白，天启是个昏君，可是对待自己实在很好。
袁崇焕留下来的诗篇，大多数是忧国忧民、悲愤沉郁之作，也有一些感慨伤逝、怀念亲友的，有几首表示家贫俸薄，愧对母妻。思念他一生，真是生于忧患，长于忧患，只有两三首小诗，稍显他幽默的一面。
博浪城
一椎如许大，误中亦由天。
此事同儿戏，留侯尚少年。
他评张良偕力士在博浪沙以铁椎行刺秦始皇，误中副车，还算幸运，事先无周密计划，本来成功机会不大，张良那时还是个少年，行动有些儿戏，那也难怪了。
上蔡县
富贵为丞相，临危不必言。