清军越三河，略顺义，至通州，渡河，进军牧马厂，兵势如风，攻向北京。大同总兵满桂、宣府总兵侯世禄中途堵截，都被击溃。满、侯两部兵马退保北京。
袁崇焕得到赵率教阵亡、遵化陷落的消息，既伤心爱将之死，又知局面严重，于是两日两夜急行军三百余里，比清军早到了二天，驻军于北京广渠门外。
袁崇焕一到，崇祯立即召见，大加慰劳，要他奏明对付清兵的方略，赐御馔和貂裘。同时召见的还有满桂。他解去衣服，将全身累累伤疤给皇帝看，崇祯大为赞叹。袁崇焕以士马疲劳，要求入城休息。但崇祯心中颇有疑忌，不许他部队入城。袁崇焕要求屯兵外城，崇祯也不准，一定要他们在城外野战。对强大而唯一的援军不加支持，反而处处疑忌为难，不给部队以休息机会，崇祯采取的是自杀政策。
清兵东攻，一路上势如破竹，在高密店侦知袁军已到，大惊失色，万万想不到袁崇焕会来得这样快。
二十日，两军在广渠门外大战。袁崇焕这时候不能再轻袍缓带、谈笑用兵了，他穿了甲胄，亲自上阵督战。从上午八时打到下午四时，恶斗八小时，胜负不决。
满桂率兵五千守德胜门。当时北京军民在城头观战，但见清兵冲突而西，从城上望下来，如黑云万朵，挟迅风而驰，须臾已过。一场激战，满桂受伤，血染征袍，五千兵只剩下了三千人。清兵威猛如此，北京人自然看得心惊胆裂。北京城头守军放大炮支援满桂，但炮术奇差，炮弹打入满桂军中，杀伤了不少士卒。
主战场是在广渠门。清兵是八旗兵中的精锐，领军的是莽古尔泰、多尔衮、阿巴泰、多铎、豪格，清军最厉害的大将都在这一翼，除镶蓝旗、镶白旗、正白旗三旗精兵外，还有二千蒙古兵。袁崇焕、祖大寿率部和清兵打到傍晚（幸好城头守军没有放炮支援袁军），清兵终于不支败退，退了十余里。袁军直追杀到运河边上。这场血战，清军劲旅阿巴泰、阿济格、思格尔三部都被击溃。袁崇焕也中箭受伤。[103]
这一役之后，清兵众贝勒开会检讨。皇太极的七哥阿巴泰按军律要削爵。皇太极说：“阿巴泰在战阵和他两个儿子相失，为了救儿子，才没有按照预定的计划作战，然而并不是胆怯。我怎么可以定我亲哥哥的罪？”便宽宥了他。[104]可见这一仗清军败得很狼狈。
皇太极与诸贝勒都说：“十五年来，从未遇到过袁崇焕这样的劲敌。”于是不敢再逼近北京，驻兵在海子、采囿之间。
袁崇焕来援北京时，因十万火急，只带了马军五千作先头部队，其后又到了骑兵四千，广渠门这场大战，是以九千兵当十余万大军，其实是胜得十分侥幸的。当时一来袁军一鼓作气，奋勇抗敌，二来清军突然遇到袁军，心中先已怯了，斗志不坚。
袁崇焕知道这一仗侥幸获胜，在军事上并不可取，尤其在京城外打仗，更不能贪图侥幸。他对部属说：“按照兵法，侥幸得胜，比打败仗还要不好。”因为碰运气而打胜，也可因运气不好而败，一败就不可收拾。但如谋定而后战，事先筹划好第二个步骤，即使败了一仗，也无大患。可是崇祯见清兵没有远退，不断的催促袁崇焕出战。袁崇焕说，估计关宁步兵全军于十二月初三、初四可到。一等大军到达，就可和清兵决战。
这时清军中的大将见到袁崇焕兵少，主张立刻攻城。皇太极终是忌惮袁崇焕，不肯攻城，推托说是怕损失良将。
其实即使在袁崇焕步军大队开到之后，还是不应和清兵决战。明军的战斗力远不如清兵，双方人数如约略相等，明军胜少败多。在京城外决战，在明方是太过冒险，万一（其实不是万一，而是极有可能）袁军溃败，甚至全军覆没，北京立刻失陷，崇祯就得提前十五年上吊了。决不能拿京师和皇帝来孤注一掷，作为赌注。但多过得一天，明军从四面八方赶来的勤王之师便多到一批。任何平庸的将才也看得到：应当大军在城外坚守不战，派游军去截断清兵的粮道，焚烧清兵粮草，再派兵去占领长城各处要隘，使清兵完全没有退路，然后与清兵持久对抗。简单说来，就是“坚壁清野”。
在任何地方打仗，都须设法立于不败之地。在京城抗敌，更是绝对要立于不败之地。除非先将皇帝与统帅部先行撤出京城。
时间一久，清军身在险地，军心必然动摇，困在北京郊外，进是进不得，退又退不了，变成了瓮中之鳖。这时袁崇焕兵权统一，只待援军云集，就可对清军四面重重围困。两军交战，胜败之分全在乎一股气势。明军战斗力虽然不行，但眼见必胜，兵将都想立功，自然不会一触即溃。三个月、四个月的打下来，清军非覆没不可。
在这其间，明军应当再派兵进攻辽阳、沈阳。清兵倾巢而出，本部全然空虚。明军要攻占辽沈决非难事。取得辽沈后，将一些清军的家属送去清军营中，清兵那里还有斗志？
事实上当然不能这样顺利。皇太极和众贝勒善于用兵，立刻就会全军急退，冲出长城，如果退得早，退得快，明军尚未合围，相信袁崇焕拦他们不住。但西路沿途追击，东路另出大军去攻辽沈而作牵制，清兵大军虽能退回本部，却非输得一败涂地不可。
皇太极这次偷袭实在十分冒险。孙子兵法的重要原则是：设法引敌人进入于我有利的阵地；让敌人辛辛苦苦的远道来攻，我以逸待劳；敌人初来时兵势锋锐，应当持重不战，待得敌人困顿怠懈而想退兵之时，便乘机进击。[105]这些求之不得的各种良机，突然之间全部出现了。袁崇焕熟读孙子兵法，以他的大才，当然能善于利用，就算不能一举而灭了满清，至少也可以令清兵十余年不敢再来进犯。