清太宗率大军东归不久，明朝兵部尚书、大学士孙承宗督理军务，重新组织力量，只用十几天工夫，就收复了后金兵占领的永平、遵化、滦州、迁安四城，拔除插在京师脊背上的四颗钉子。孙承宗收复关内四城以后，于崇祯四年（天聪五年，1631年）正月东出巡关，准备重新整备关外的防务。辽东巡抚丘禾嘉提出应修复广宁、义州、右屯。孙承宗认为，广宁离海一百八十里，距辽河一百六十里，陆上运输很艰难。义州地方偏居一隅，离广宁远，一定得先占有右屯，聚兵积粟，才能渐渐逼广宁。但右屯城已被摧毁，修筑后才能守。筑此城，敌兵一定会来攻，所以又必须恢复大、小凌河两城，以接连松山、杏山、锦州等城。经崇祯批准，决定先把大凌河城修复起来。该城全称叫大凌河中左千户所，位于锦州东三十多里，属锦州守备管辖，建于宣德年间，周长三里，嘉靖时又有所增修。在明清战争中，它是锦州的前哨阵地，几经战争破坏。这次经孙承宗提议，决定再次修复。这年七月，总兵祖大寿、何可刚及十余员副将率兵正式动工重建。
丢失永平四城的阿敏率败军刚回到沈阳，太宗就得知明兵在大凌河筑城的消息。他毫不迟疑地昼夜催调各军包括蒙古兵，由他率领前往攻城，不给明朝修筑和加固防线的任何机会。据他所知，明朝“精兵尽在此城，他处无有。”攻下此城，也便消灭了明朝的有生力量。他说，如果“坐视汉人开拓疆土，修建城郭，缮治甲兵，使得完备，我等岂能安处耶！”七月二十七日，太宗率军离沈阳西行，第二天，渡过辽河，召集众将领，宣布军纪：凡俘虏之人，勿离散其父子、夫妇，勿裸取其衣服，当加意抚恤。他嘱咐诸将：为将帅之道，在于申明法令，抚驭得宜，就会使人人奋进，争立功业。
八月一日，大军驻旧辽阳河，蒙古各部落率兵来会，举行酒宴，为他们远道而来洗尘慰劳。在这里兵分两路：一路由贝勒德格类、岳托、阿济格等率兵二万，经由义州，屯驻于锦州与大凌河之间；一路由太宗率领经由白土场，趋广宁大道，约定六日两军会于大凌河城。
大凌河城从七月中旬左右动工修复，到这时才只有半个多月。辽东巡抚丘禾嘉自作主张，同时修复右屯城，分散了人力和物力，结果大凌河城雉堞仅修完了一半，就仓促闭门拒战。城中原有官兵一万六千零二人，后派出买战马及守宁远的共二千二百人，实际人数是一万三千八百零二人，夫役商贾约一万多人，全城共计三万余人。六日夜，后金兵两路汇合后，开始围城。太宗总结以往的教训，认识到，至少在目前，攻坚不是后金的长处，这次改为围而不攻，迫使城内粮尽援绝而投降。他指示作战方略说：“攻城恐士卒被伤，不若掘壕筑墙以困之。彼兵若出，我则与战，外援若至，我则迎击。”兵力部署如下：
正黄旗固山额真冷格里围北面之西侧；镶黄旗固山额真、额驸达尔汉围北面之东侧；阿巴泰居后策应。
正蓝旗固山额真觉罗塞勒围正南面，莽古尔泰、德格类在后策应；镶蓝旗固山额真篇古围南面之西，济尔哈朗在后策应；蒙古固山额真吴内格围南面之东侧。
正白旗固山额真喀克笃礼围东面之北侧，多铎在后策应；镇白旗固山额真伊尔登围东面之东侧，多尔衮居后策应。
正红旗固山额真、额驸和硕图围西之北侧，代善居后策应；蒙古固山额真鄂本兑围正南面；镶红旗固山额真叶臣围西面立南侧，岳托居后策应。
蒙古各贝勒自率本部兵围其隙缝处。
城四周布署主攻与策应，实际上等于安置两重兵力，而蒙古兵为机动，居间进围。这次用兵与往次不同，不仅战术有了变化，而且还掌握了相当数量的大炮，这就大大提高了后金兵的战斗力，初步改变了过去挨轰挨打的局面。从这年开始，后金已经能够独立制造大炮，还有从明兵手中夺取来的，投降带过来的，大炮的数量也不算少了。为此，太宗在各旗成立一个炮兵营，各配备红衣炮和大将军炮计四十门。这次围大凌河城，太宗首次携带大炮，命令额驸佟养性率领汉兵，把大炮安放在通往锦州的大道上，堵截明朝援兵。
以上各旗绕城及侧重西面防明锦州援兵，共托营盘四十五座，周围绵延五十里，他们各在自己防区环城挖掘大小四道壕堑：一道深宽各丈许，一道环前道壕再挖一条宽五尺、深七尺五寸的壕，铺上秫秸，覆盖上土。据此壕五丈远的地方筑墙，高丈余，墙上加垛口，远看如一道城墙。各旗还在自己营地周围挖掘一道拦马小壕，深宽各五尺。太宗发布命令：各旗将士严守阵地，不许放一人出城。他自己则整天高坐城南山冈，时刻注视城内动静。
这一套严密的围困工事，称得上水泄不通，风雨不透，表明太宗此次用兵志在必胜的决心。连明人也惊叹不已：“逆奴围凌，连控四壕，湾曲难行，器具全备，计最狡矣！故虽善战如祖大寿，无怪其不能透其围。”此围“封豕长蛇，其毒螫乃至于此。”困守在城里的明将祖大寿等起初还不时地出动数十人、几百人的小股部队，或企图出城收割庄稼，或为骚扰，或作试探性的突围，都被后金兵给打了回去。有一次，太宗用计，把后金兵伪装成明援兵，引诱他们出城。祖大寿不知是计，果然率兵出城，中了埋伏，被杀得大败。祖大寿吃了多次亏，从九月下旬以后，再也不敢出战，总是城门紧闭。祖大寿惟一的希望是，朝廷能派大军来解救他们。的确，朝廷也作了最大的努力。八月十六日，太宗围城才十天，松山城出动明兵两千前来支援。二十六日，辽东巡抚丘禾嘉与总兵吴襄、宋伟合兵六千赴援，与清兵大战长山（大凌河城东南）、小凌河间，被逐回锦州。九月十六日，太宗率军出击锦州，断绝对大凌河城的增援。至中途，他令众军暂停前进，带二百名亲兵到前边侦察。他沿着山脚，悄悄前行，等行至小凌河岸，突然与刚出城的锦州六千明兵遭遇。太宗刚穿戴铠甲，率二百名亲兵飞马过河，直冲明兵。明兵阵营大乱，纷纷掉头逃窜。太宗分军五队，直追到锦州城下。吴襄、宋伟出战不胜，退回城里。二十四日，朝廷终于派监军张春会同吴襄、宋伟率战将百余员，马步兵四万余来解大凌河之围。过了小凌河，东进五里，筑垒列车营。后金兵扼守长山，明援兵不得进。二十七日黎明，明兵拔营，向大凌河城推进，在离城十五里的长山与后金兵接战。太宗亲率两翼骑兵直冲敌营，飞矢如雨；佟养性指挥汉兵发射大炮、火箭，明兵也以枪炮还击，霎时间，枪炮声、呐喊声交织在一起，声震天地。明兵挡不住飞驰而至的后金骑兵的冲击，吴襄营先乱，溃不成军。接着其他营也乱了套，纷纷溃逃。太宗预先在其归路埋伏精锐，凡逃经此路的明兵悉被歼灭。此役，张春和副将张洪谟、杨华征等三十三员将官被活捉，副将张吉甫、王之敬等死于交战，吴襄、宋伟等一小批将领侥幸逃脱。这次战役后，明朝再也没派援兵到来。
援兵已绝，祖大寿和他的守城将士又面临着粮尽的严重危险。围困已两个月，城里储备的粮食眼看就要吃光，兵士宰杀战马充饥，马无草料，大批倒毙。老百姓更惨，他们很早就断了粮，成百上千的人都饿死了，勉强活着的人抢食死者身上的肉，用人骨当柴烧，所谓“炊骨析骸，古所没有。”有个叫张翼辅的，从城里逃出，诉说城里的惨状：粮食已经吃光了，先杀工役而食，现在又杀兵丁食之，军粮已尽，惟有大官还剩米一二升而已。
在严密封锁中，太宗不断发动“政治”攻势。围城一开始，他就写信给祖大寿，劝他投降。其时，祖大寿在辽东有一个很大的封建家族，人口众多，家业豪富，权势显赫，毫无降意。太宗责令阵获的明将二十余人给他写信劝降，他本人还写了三封，一起送到城里，但祖大寿仍不投降，对来使说：“我宁死于此城不降也。”他之所以不降，就是担心后金随意杀人，顾虑身家性命，表示不相信太宗的话。太宗马上写信解释，说从前杀辽东人实有其事，我甚为痛悔，现在再也不妄杀一人，一律加以收养。二贝勒阿敏在永平屠戮汉官民，是他个人犯的罪行，已将其幽禁惩处。我愿与你及诸将军共事，故以肝膈之言，屡次相告。拖到十月中旬，“城内粮绝薪尽，兵民相食，大寿等力竭计穷”，才定下了投降的决心。二十五日，祖大寿派他的儿子祖可法到后金营中为人质。一见面，济尔哈朗、岳托都起立，扶住祖可法，不让他下拜，说：“我们前此对垒是仇敌，现在已讲和，都是兄弟，何必拜？”以满族较高的抱见礼相待。他们问祖可法：“你们死守空城是何意？”祖答：“因为你们屠杀降民，所以迟疑。”岳托说：“杀辽东民是太祖时的事，我们也不胜追悔。杀永平兵民是二贝勒阿敏干的，已受到处分。这些事与今汗毫无关系。”经过信使往来谈判，打消了祖氏父子和诸将的疑虑，有关投降事宜都已谈妥，只有副将何可纲反对投降。二十八日，祖大寿命逮捕，让两名士兵把他架出城外，当着后金诸将的面斩首，何可纲脸色不变，不说一句话，含笑而死。然后，祖大寿派四员副将、二员游击到后金营，代表他和副将张存仁等三十九名将官与太宗及诸贝勒举行盟誓。当晚，祖大寿亲自到太宗御营见面。太宗特别高兴，派诸贝勒出迎一里，他则出幄外迎接，不让祖大寿跪见，而以抱见礼优待，还让他先入幄，他不敢，谦让后，太宗和他并肩入幄，极示尊敬之意。里边已摆好了丰盛的宴席，太宗亲自捧金卮酌酒给祖大寿，把他穿用的黑狐帽、貂裘、金玲珑、缎靴、雕鞍、白马等一大堆珍贵物品赏给了祖大寿。祖大寿感激不尽，以妻子尚在锦州，请求允许他回去设计智取锦州。太宗当即同意。十一月一日晚，祖大寿带二十六人，渡小凌河，徒步去锦州，大凌河城方面故意炮声不绝，作交战及追赶的声势。守锦州的丘禾嘉与宋襄、中官李明臣、高起潜闻炮声，发兵支援，半路上正与祖大寿相遇。他假称突围逃还，丘禾嘉信以为真。但他一去不复返，其子侄都留质于后金，也在所不顾了。十年后，锦州战役时他才真投降。
祖大寿走后，后金兵开进大凌河城。原先全城兵民共三万多人，此时止存一万一千六百八十二人，马只剩下三十二匹。三日，太宗举行盛大宴会，招待大凌河城归顺将官，宴后，令他们较射。
九日，太宗下令班师，他的八旗将士满载战利品，凯旋沈阳。撤军前，将大凌河城完全摧毁，只剩下城基，变成一片废墟。大军连续撤了三天，到十三日才撤完。这次围困达三月余，获得了完全的成功。此役消灭了明朝在关外的精锐，使其军事力量遭到严重损失。同时，太宗耐心地招降了张存仁等数十名明将。他为得到一批人才而感到心满意足。这在他看来，是比得到一座城池更为重要的收获！