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从经略袁应泰的兵力部署和设想来看，他的战略意图十分明显，百分之六十的兵力放在抚顺、清河方向，百分之四十的兵力坐镇辽沈腹地，进攻抚顺的意图一目了然。尽管其兵力部署与熊廷弼大体相似，但他的意图是伺机与后金决战，这就改变了熊廷弼的渐逼渐进，部险守要，使后金兵疲劳坐困的守中有攻的策略［10］。但是，实际的兵力仍然与熊廷弼在任的时候大体相同，即与后金的兵力比较，攻之不足，守之有余。细察起来，兵虽然多了几万，情况却更坏了。因为，一是除了家丁以外，能够搏战的不多。二是收降蒙古人为兵卒。贺世贤一军首批收了三千多人，最后竟达数万人。这为努尔哈赤派“奸细”混入明军提供了方便条件。同时，辽河东西赤地千里，军粮严重缺乏。可见袁应泰收编蒙古军的作法，严重地增加了边城的危险和困难［11］。
辽东经略袁应泰积极调兵遣将，大英明汗努尔哈赤也积极加强战备。当初，熊廷弼布置严密，战守比较得宜，兵员、军饷也逐渐齐备。后金多次南攻北扰，都没有得手。但努尔哈赤夺取辽沈的决心却毫无改变。天启元年（公元1621年，天命六年）正月以后的各种迹象表明，努尔哈赤进军辽沈的决心已经下定了。正月间，总兵官李光荣等首先得到后金在积极制造钩梯、备置车营，储备糗粮，将要进犯辽沈的消息。蒙古煖兔部下的哈喇等四个人曾经到萨尔浒城努尔哈赤家中去贸易，也听说后金将于闰二月进攻沈阳城［12］，而且蒙古已经调各营兵集中在辽河一带，等待后金兵进犯沈阳的时候，乘机从懿路杀出，劫回宰赛贝勒等消息一再传来［13］。泰昌元年（公元1620年，天命五年）十月，努尔哈赤从界藩城迁都到萨尔浒城，西向进取之意也很明显。在这同时，努尔哈赤在后金奴隶主集团的内部也作了一些准备，召集代善、阿敏、莽古尔泰、皇太极等诸子、侄共立盟誓，禁止在强敌面前内部相互残杀，申明不究既往，以加强内部团结［14］。
二月间，大英明汗努尔哈赤进攻沈阳的迹象已经表露出来了。他首攻奉集堡、虎皮驿，其目的是除了掠夺以外，主要是侦探一下明军的虚实。努尔哈赤想了解一下袁应泰对沈阳一带的部署及其弱点，因为他深知奉集堡和虎皮驿对于守卫沈阳的重要性。明朝末年的军事家，只要到过辽东，几乎都看出沈阳、奉集堡和虎皮驿三地为鼎立之势。想要坚守沈阳，必须保住奉集堡，想要保住奉集堡，必须严备虎皮驿，三城互为犄角。虎皮驿守不住，奉集堡必危，奉集堡守不住，沈阳必然孤悬。努尔哈赤兴师则必出马根丹、抚顺而达沈阳，奉集堡又是必由之路，所以，努尔哈赤对于奉集堡自然要倍加重视［15］。前经略熊廷弼守辽的时候，以三位总兵驻守奉集堡等三角地区，实行“南顾北窥”之策，致使努尔哈赤没有敢轻易进犯辽沈。袁应泰以七千骑兵，和得力的将领驻守奉集堡。努尔哈赤进军辽沈的第一次尝试就从这里开始了。
天启元年（公元1621年，天命六年）二月十一日，努尔哈赤统兵数万，直向奉集堡冲击。奉集堡监军副使高出率领全军誓死坚守，尤分发挥火器的威力，向后金兵矢石齐发。努尔哈赤挥军猛攻，八旗士卒在明军的炮火下，纷纷落马、倒地，伤亡以千计。同时，明将朱万良率领本部大军前来增援，努尔哈赤完成了军事试探，第二天就下令退兵出境了。十六日，努尔哈赤又派小股兵力进攻虎皮驿。十八日，又发兵扰犯王大人屯（今辽阳县西北王大人屯）［16］。通过以上的军事行动，努尔哈赤既探清了明军的虚实，也迷惑了辽东的官将，使他们摸不清努尔哈赤大举进兵何日开始。
天启元年三月初十日，后金国大英明汗努尔哈赤亲自统率大军，水陆并进，直取沈阳城。十二日辰时，大军到达沈阳城下，驻扎在城东七里浑河北岸。明朝守城官兵在夜间得到了努尔哈赤统率大军前来进攻沈阳的消息。明军以灯火为号，沈阳全城立刻灯火通明。当天，努尔哈赤以沈阳城难攻，恐伤亡太大，没有立即命令攻击，而是设法引诱沈阳守军出城决战。为此只派一支精兵渡到浑河南岸进行掠夺，由于没有引出明兵，不久就返回来。
沈阳城由总兵官贺世贤统率亲兵一千多人，和纳降兵共六万之众，与副将尤世功统兵一万五千人，共同驻守，总计兵力有七、八万人。十三日早晨，努尔哈赤部兵列阵，命令绵甲兵持车楯攻击沈阳东门。从前经略熊廷弼将沈阳城的大而低、高不盈丈的城池重新进行了修筑，而且在城外筑了围城，比原来的城墙向外阔展八丈多，外城外掘深沟一道，内插尖木桩，覆为陷井。沟内侧修有内壕，壕上置一、二十人才能抬动的大木。外壕以内再设涧五丈宽、深二丈许，涧底插尖木，涧的内侧每一丈五尺设置战车一辆，战车与战车之间架以大炮二门，小炮四门。各个车、炮的四周还设有游动兵保卫［17］，防守的相当严密。
这样的坚城，后金兵想要强攻，势难取胜。于是，努尔哈赤在初战时，只派数十名骑兵在壕外侦察，诱使城内兵出战。
命令李永芳设法派人送书给贺世贤，招他投降献城。贺世贤看了李永芳的来书大怒，杀了来使。总兵官贺世贤一向以勇战著称，如能坚意固守待援，努尔哈赤这次攻城能否取胜，也大成问题。然而，明朝末年的边将，大多怯战，勇于战阵的又很骄傲。贺世贤是这个时期辽东官军中比较敢战的将领，努尔哈赤和李永芳都恨他。贺世贤见后金兵迟迟没能攻城，就轻视对方，把努尔哈赤的诱战误为怯弱，轻率出城对阵。部下极力劝阻，他也不听。他饮酒数杯后，率领一千多亲丁出了城，发誓“尽（杀）敌而返”。努尔哈赤正困于求战而不得，诱战而不出的时候，见贺世贤统兵冲出城来。努尔哈赤立刻命令一哨兵边战边退。贺世贤乘锐轻进，离城越来越远。这时，努尔哈赤又命令一部分八旗兵将贺世贤重重围困起来，使其不得脱身，其他八旗兵急速攻城。贺世贤虽然率领上千的勇士，手持铁鞭杀死许多八旗士卒，但终归是寡不敌众，结果，力疲而退。努尔哈赤见贺世贤边战边向城的方向退却，急令兵士放箭，世贤身中四矢。部下见他负伤劝他奔向辽阳，他以大将不能守城，有何颜面去见经略，便与众将转战到沈阳西门外，又挥鞭击杀数十人，终于被后金兵砍死在马下。副总兵尤世功出西门前来营救，而部下士卒畏战，竟一哄而散，尤世功、参将夏国卿、张纲，知州段展，同知陈辅光等都先后战死［18］。
努尔哈赤一边指挥八旗兵围攻贺世贤，一边指挥大部分八旗士卒全力进攻沈阳城。兵卒以毡裹身，推四轮战车居前，精骑在后，竭尽全力进攻东门。明军炮火齐发。八旗士卒虽然死伤很多，但仍冒死挖土填涧，相继越过三道壕涧，进逼城下。这时，正值贺世贤、尤世功战死在西门外，城内军民听说城外兵败，民心慌乱。东门守城的兵卒，砍断了桥索，吊桥下落，后金的八旗兵，蜂拥而入，沈阳城就这样被后金兵攻克了［19］。沈阳之战，总兵贺世贤以下，尤世功等道吏、副将、参将、游击、千总、百总等共战死三十多人，兵卒除少数逃散外，大部分投降了后金。
沈阳城被围的时候，经略袁应泰、巡按大臣张铨早已经部署了各路援兵，以为沈阳犄角。命川、浙总兵童仲揆、陈策从黄山来增援。虎皮驿、武靖营总兵朱万良、姜弼率兵三万也向沈阳方向增援。奉集堡总兵李秉诚正向沈阳方向集结。陈策提兵到浑河桥南，听说沈阳城已经失守，想下令回师。裨将周敦吉等坚持请战，石柱土司副总兵秦邦屏、参将吴文杰、张神武、游击周世禄、守备雷安民等共近八千人，随同周敦吉渡河。
大英明汗努尔哈赤得知明援兵已到，急速发兵向正渡河的明援军猛扑过去。周敦吉等统兵刚刚登上浑河北岸，分兵两营，还没有站稳脚跟，努尔哈赤所派的右翼兵就围了上来。与此同时，努尔哈赤又派一支兵载断了浑河桥通道，阻止河南童仲揆、陈策、副将戚金、参将张名世的部队过河。努尔哈赤以五万兵力围攻河北的明军。初战时，后金仅以一旗士兵冲阵，认为明军都是弱卒，一向接战便溃不成军，万没想到川兵能奋勇冲杀。白旗军率先冲击，两军交战不多时，白旗军没能顶住川兵，被迫败下阵来。黄旗军接着冲击，也被川兵顶了回来。最后，努尔哈赤令红旗兵会合各旗合围再进，包围了川兵，两军展开了激战，结果相互杀伤相当，前后三进三退，八旗士卒死伤近三千来人。最后，努尔哈赤责令李永芳等汉官收买明军炮手，搬用沈阳城上的大炮，向川兵老营开炮，并乘势以骑兵从两翼挟攻。川兵由于将领周敦吉、秦邦屏、参将吴文杰、守备雷安民等先后战死，只有周世禄率领少数人退到浑河南五里的浙营驻地。不久，努尔哈赤统军乘胜追击，迅速渡过浑河，将浙营兵也重重地包围起来。
当浙营、川营合兵与努尔哈赤的八旗兵对阵，四面受敌的时候，明武靖堡（今辽阳市北“大武靖营”）、虎皮驿总兵朱万良、姜弼统领三万大军，奉集堡总兵李秉诚统领本部兵会合在白塔铺（今沈阳市南“白塔铺”），两部近四万人及时赶到。努尔哈赤得知明援军逼近，形势十分不利，大有腹背受敌的危险，便命令大贝勒代善统领右翼旗兵继续与被围的明军激战，亲自与皇太极、岳托等率领左翼军迎战明廷援军。不料朱万良、李秉诚部等不肯奋战，被八旗兵一冲就败得落花流水。皇太极乘胜随后追杀四十多里，沿途死伤三千多人。三位总兵见此，再也不想进战了。努尔哈赤乘机急速回军，全力围攻浙营兵。
浑河桥南之战，比桥北之战更加激烈。努尔哈赤督兵猛攻，明军凭借火器的威力，奋勇激战，八旗士卒在明军的攻击下，纷纷落马，积尸相枕，仅坠马者便近三千多人。但八旗士卒在强敌面前毫不怯战，一直战到明军火药用尽，两军短兵相接。明军将领陈策首先战死，童仲揆被迫杀出重围，派部将急驰辽阳求援。
袁应泰刚知道沈阳被困的时候，曾经派参将王世科统兵五千，前去增援。没有料到会碰到努尔哈赤在沈阳与辽阳之间设下的伏兵。王世科一军当即全部被歼。当童仲揆的部将请援时，袁应泰认为敌兵强大，川、浙之兵绝不能救，如果再派兵增援就会再陷重围。童仲揆的部将虽叩头流血，袁应泰也执意不肯派出援兵。巡按张铨再三劝说，袁应泰仍然不肯答应。张铨见他固执如此，气得拍案而起，可是，袁应泰最终还是没有发兵。童仲揆望援不至，再次杀出重围，准备离开战场。这时，恰巧遇到副将戚金，童仲揆在戚金劝说下，一同杀入重围，一直奋战到死。河南之战先后战死的将领有陈策、戚金、童仲揆、袁见龙、邓起龙、张名世等［20］。努尔哈赤统率八旗士卒奋勇搏战，一直杀到明兵溃不成军，除了参将周世禄率领的少数明兵突围外，全部被歼。
浑河南北之战，是辽沈战争中最激烈的一仗。这一仗对于作战双方都产生了极大的影响。大英明汗统率十万大军与川、浙六、七千士卒（系指浑河南明营兵数）进行了如此艰苦的战斗，虽然最后把明军歼灭了，但两军死伤的人数却差不多，实在是他对明战争以来所不多见的，而广大八旗士卒在战后半年多时间里还为这次战争之残酷而感到“胆寒”［21］。明廷以这次战争引为自豪，说是自从与努尔哈赤开战以来，这是“凛凛有生气”的战役，以万余人（系指浑河南北川、浙两营兵数）敢抗击数万敌人，杀敌数千，而余下的士卒还能奋战不已，“胆气尚存”，为主帅报仇［22］，使明廷上下深为振奋。
沈阳及浑河南北的争夺战结束了，大英明汗努尔哈赤进入沈阳城后，屯兵五天，论功行赏。由于浑河南北的激战，八旗士卒死伤了许多，为了安慰广大的兵将，稳定军心，努尔哈赤大行祭奠阵亡将士，把死难将士中有功的雅巴海、布哈、孙扎钦、巴颜、雅木布里、实尔泰、郎格、杜木布、达哈木布碌、旺格等一并列名祭祀，以慰亡魂［23］。
十八日，大英明汗努尔哈赤聚集众将宣布说，沈阳城已被我们占领，明军战败了。我们要统率大军乘胜前进，直捣辽阳城。当天，八旗兵分八路齐头并进，旌旗蔽空，浩浩荡荡地向辽阳进发，当晚军行到虎皮驿扎营。
辽阳城是辽东的重镇，明朝经略等官一向驻此镇守辽东。他们认为守卫辽东的根本在于坚守辽阳城。前经略熊廷弼镇守辽东时，也是坐镇辽阳，以三名总兵官在外，实行南顾北窥之策，以挽救辽沈的危局。他曾经动员辽阳军民，昼夜修城，将被海风严重侵蚀的辽阳城加固［24］。袁应泰继任以后，也坐镇辽阳。后金只要拿下辽阳城，辽河以东就全部为后金所有了。因此，浑河南北激战以后，明、金双方争夺的目标自然是辽阳城。
辽东城堡连连失陷，军民惶恐不安，辽阳以北的居民已逃走一空。到处可见后金八旗兵的足迹。辽阳城内也是人心思逃，每天城内居民欲夺门而出的连续不断，守门官兵为阻止居民外逃，一日间竟有数十百计的逃民被斩首［25］。天启皇帝得到巡按御史张铨关于辽沈战场上的形势奏告以后，急得大发雷霆地责问：辽城万分危急，在职文武各官，都负有封疆大任，为什么怠玩职守？援辽将领拥兵集结，不肯前去救应，坐视沈阳城陷，朝廷的威令又在哪里？
由于形势变化，经略袁应泰不得不调整部署，以原来守卫辽阳的总兵刘孔胤部与剩下的川兵合营，调宽甸、叆阳总兵胡嘉栋、副总兵刘光祚的青州兵相配合，两部合起来有两、三万人，共守辽阳城。又撤奉集堡、威宁营（今辽宁省本溪市高台子公社“威宁营”）兵助守。总兵官朱万良，姜弼等人，临阵退缩，观望不前，令其“立功自赎”。同时，袁应泰以家丁组成“虎旅军”助守。除了安排守城兵以外，还命令姜弼、侯世禄、朱万良等统兵在辽阳西北武靖门方向，以太子河为屏，结阵驻守，以堵截后金的八旗兵渡河。
十九日，大英明汗努尔哈赤统率大军从虎皮驿继续南进。他躲开了辽阳西北武靖门方向的明军，于当天巳时到达辽阳城东南太子河东岸。午时，全军渡过了太子河。努尔哈赤统率大军过河以后，出乎袁应泰的意料，并没有立刻包围辽阳城，而是扬言要进军山海关，直犯京师。后金兵沿着千山（在今辽阳西南）奔山海关大路而去。努尔哈赤真正的目的是把辽阳守军调出辽阳，在野战中歼灭，然后，再取辽阳城。
经略袁应泰、巡按张铨等在寅时，以炮传知全城军民，命令士卒严守城池，并亲自登城观察敌情。午时以后，看见努尔哈赤率领八旗兵置辽阳城不攻，挥军向山海关方向疾驰而去，便慌了手脚，乱了胸中的成局，急忙调来了武靖营方向驻守太子河边的朱方良、姜弼、侯世禄军到辽阳教军场集结。先命令从宽甸、叆阳调来的青州兵尾追后金军，接着又催促总兵官李秉诚、朱万良、侯世禄、梁仲善、姜弼、周世禄等将官所统领的近五万兵，在辽阳城西五里结阵为三大营。
大英明汗努尔哈赤得知明军的追兵尾随身后，大股兵力已经出城结阵，就从辽阳西南的远