皇太极自从出奇计攻破抚顺，打开进入明朝直接统治的地区大门以后，早已有占据辽沈的思想。萨尔浒之战的决定性胜利，扭转了努尔哈赤对明朝斗争的整个被动局面。当努尔哈赤从此决定同明朝争夺辽沈时，皇太极也就在其父的统率和指挥下，成了驰骋辽沈大地的后金军的骁勇先锋。
明朝在萨尔浒之战的惨败，使满朝文武惊骇，沮丧，埋怨，朝廷笼罩在一片恐惧和不安之中。辽东难民像潮水一样涌向内地。民逃，兵逃，官也逃。开原游击陈维翰胆小如鼠，城未陷，先令家丁驮运私人财货逃走。开原空了，铁岭空了，沈阳也空了。人心不稳成了明朝面临的最大问题。
努尔哈赤最善于利用战机。他看到萨尔浒之战以后，可以乘胜进兵，就在当年六月，亲自领兵攻向开原。明总兵马林事先没有防备，仓猝应战，被一举打败，马林及副将于化龙等战死，开原城被攻破。七月，努尔哈赤又领大军攻铁岭，城内外的明兵或逃或降，只有少数人坚持抵抗，努尔哈赤轻而易举攻取铁岭城，杀死守城游击喻成名、史风鸣。与此同时，他们也对沈阳进行了试探性的攻击。
天命五年（1620年）八月二十一日，皇太极随从其父努尔哈赤掳掠明朝懿路、蒲河，得胜而回。明朝驻沈阳的军队出城迎战，努尔哈赤调转矛头，大杀回马枪，沈阳总兵贺世贤等遁去。皇太极率精锐轻骑追击，想杀入沈阳城内，被其兄代善等勉强劝止。
第二年二月十一日，皇太极随从其父努尔哈赤再次统率大军，分兵八路攻掠奉集堡（沈阳城南苏家屯区奉集堡），守城总兵李秉诚闻讯领三千骑兵出城六里安营，以二百兵为前探，与后金左翼四旗兵相遇，追杀至山上，展开一场激战。皇太极率精兵至黄山，明将朱万良见后金兵这样威武，自觉不如，惊慌逃跑。皇太极策马追击，直至武靖营。这就正式揭开了后金大军进攻辽沈的序幕。
萨尔浒之战的血雨腥风，吓昏了一些明朝的文武将吏，也给另一些人注入了清凉剂。他们冷静地分析形势，认识到努尔哈赤已不是什么“跳梁小丑”，他是能征惯战的统帅，是拥有十万铁骑的一国之主。俗话说：“女真满万不可敌”，何况十万众了。他不是当年的李满住。自攻占开原、铁岭以来，筑城驻牧，休养兵力，联络朝鲜、蒙古，还继续造船运粮，广布奸细，这也不是蒙古也先、俺答可比。种种迹象表明，他的志向不小。他是有意识要向内地侵犯，进占辽沈，威逼京师，夺取大明江山。明辽东巡按御史陈王庭指出：“贼谋不在抢掠，而在攻克；志不在村屯，而在沈、奉。”他们为国担忧，献计献策，寻找一切办法阻挡努尔哈赤率领的八旗铁骑深入内地蹂躏。因萨尔浒之战失败，明朝主要处置了两个重要人物，一是李如柏，二是杨镐。李如柏靠他父亲李成梁的关系当了总兵官，怯懦无能，纵情酒色，根本不能领兵打仗。四路出师，三路败北，独他一路得全，舆论纷纷，怀疑他表面作战，暗里通敌。杨镐急令他的一路撤军也巧得出奇。明神宗看在他父兄分上，下诏撤回李如柏，听候处置。舆论不服，要求严惩，李如柏害怕，自杀而死。杨镐身为四路总指挥，丧师辱国，罪责难逃，遭到弹劾，开原失守以后免去经略，逮下诏狱，论死。崇祯二年（1629年）伏法。
为了收拾辽东败局，经过许多人的荐举，明朝提升熊廷弼为兵部右侍郎兼都察院右佥都御史经略辽东，代替杨镐。熊廷弼，字飞白，湖北江夏人，明末杰出的名将，有胆有识，熟悉辽东边境情况，有一套安边的计划。他提出，辽左为京师肩背，要保住京师，就不能丢弃辽东。河东是辽东的腹心，要保住辽东，河东也不能失掉。开原是河东的根底，要保住河东，开原更不能丧失。他强调不守辽沈，就不能保住辽东，守住京师。把开原、辽沈和京师看成一条紧密相关的锁链，既顾全到整体，也能照料到局部。他认为所有人们谈论对付努尔哈赤的办法不外三种：一是恢复；二是进剿；三是固守。他反对轻易主张进剿，而是主张“坚守进逼之策”，即又守又战，守稳再战。针对后金拥有十万精骑，人强马壮，他请求调集十八万官兵，九万马匹，一个不能少。
熊廷弼颇想振作一番。万历四十七年（1619年）八月，受命进入辽阳，他积极布置防守，沿途见到逃跑的难民就劝他们返回家乡，裨将刘迂节、王捷、王文鼎临阵脱逃被捉拿问斩，祭抚顺、清河、开原、铁岭死难将帅军民。还诛杀贪官贪将陈仑，劾罢总兵李如桢，代之以李怀信。督军士造战车，冶火器，溶壕缮城。熊廷弼刚到辽东时，命令开原道佥事韩原善往抚沈阳，朝原善害怕不敢去；继命佥事阎鸣泰，到虎皮驿（沈阳城南十里河），痛哭而返；熊廷弼便亲自从虎皮驿到沈阳，再到抚顺，顶风冒雪，不避艰险，巡视边防。由于他采取了这些必要的措施和本身的实际行动，稳定了人心，提高了保卫边防的战斗力。后来他受到反动腐朽势力的攻击被迫辞职，辽东人民痛哭流涕说：“数十万生灵，皆廷弼一人所留。”
努尔哈赤在熊廷弼经略辽东近一年间不敢发动大规模进攻。但是熊廷弼敢作敢为的行动遭到了两种人的反对，一种是碌碌无为的朝贵，他们反对熊廷弼雷厉风行，处死逃将、贪将，修筑防御工事等行为；另一种是孜孜以求的言官，这些人不得意熊廷弼刚强独立，不与他们同流合污。有个人叫刘国缙，同姚宗文结成一伙，刘国缙以兵部主事赞画军务，主张招募辽人为兵，招了一万七千人，逃了一大半，熊廷弼反对他的做法，两人便互相攻击。姚宗文出于刘国缙门下，为求补官，托熊廷弼代请，没有满足要求，与熊廷弼结下仇怨。万历四十八年（1620年）五月，后金兵攻略蒲河，明朝将士失亡七百余人，时姚宗文已任吏科给事中，乘机大肆诽谤熊廷弼。逐熊之议愈演愈烈，攻击他出关一年，漫无定画；荷戈之士，徒供挑溶；尚方之剑，逞志作威；拥兵十万，不能斩将擒王，等等。壮志未酬，熊廷弼就被缴还尚方剑，席藁待罪。
天命六年（明天启元年，1621年），努尔哈赤发动了攻取沈阳的战争。这是继开、铁之后，由后金发起的又一次大战，是辽沈之战的开始。努尔哈赤又找了个好的战机。前一年，明神宗死去，光宗即位仅一个月又死，现在的熹宗刚刚即位半年。最高统治者易人，宦官专政，党派纷争，坚持战守的熊廷弼被罢了官，“用兵非所长”的袁应泰出任辽东经略。熊廷弼“严”，袁应泰“宽”，已有的许多防御设施变更了。所有这些，对努尔哈赤真是求之不得。
沈阳在明朝统治下号称“坚城”。为了保住这座城市，在它的外边挖了壕沟，伐木为栅，埋伏火炮。当时在沈阳城周挖了一道道沟堑，设下陷阱，井底插上尖尖的木桩，上面铺上秫秸，掩上土。可是再坚固的城堡，也怕从内部攻破。沈阳城尽管修了几道防线，岂能抵挡大批蒙古降人进入城里，于是祸起萧墙。袁应泰认为招降蒙古人可以少树敌，没有料到，正是他们帮助了努尔哈赤。
三月十日，努尔哈赤倾国出兵，亲自统率诸贝勒、大臣领大军向沈阳进发，带着板木、云梯、战车等顺浑河而下，水陆并进。因为防守坚固，不敢近城，暂住城外，栅板为营，就地驻扎。然后用轻兵引诱明军出城。三月十二日，后金兵临沈阳城下，明驻沈阳总兵贺世贤、尤世功分兵守城，在后金引诱下贺世贤率家丁千余人出城迎战。贺世贤久以勇猛著称，但是非常寡谋。打了几次小胜仗，更助长了他的轻敌思想。他一出战就想消灭敌人，宣称“尽敌而返”。其实后金挑选的都是精兵，引诱贺世贤，就是利用他的弱点。后金兵佯装失败，贺世贤“乘锐轻进”，到了一定时候，后金“精骑四合”，贺世贤奋力抵御，也因力疲败退。
三月十三日，后金兵披甲上阵，发起攻城。从东北角挖土填壕，明兵从城上炮击，发多炮热，装药即喷。后金兵不避炮火，蜂拥过壕，急攻东门。尤世功战死城下，城内收降的蒙古人砍断桥绳，放下吊桥，后金兵开门而入，进占了沈阳城。贺世贤先在南门外杀敌很多，力不能支，从西门退却，这员猛将身中十四箭，突围欲出，被敌兵杀死。在保卫沈阳城的这场战斗中，明兵丧生七万人。
后金夺取沈阳以后，在浑河南岸与明军进行了一场野战。援辽总兵官童仲揆、陈策等领川浙兵赴沈阳，大军行至浑河，欲与城内兵夹击，听说沈阳已被攻陷，陈策下令还师，游击周敦吉等坚持请战。他们说：“我辈不能救沈，在此三年何为！”明军即分为两大营，周敦吉与秦邦屏先渡河营桥北；童仲揆、陈策及副将戚金、参将张名世统浙兵三千营桥南。在秦邦屏结营未就之时，后金右翼四旗兵，精锐在前，推着檐车追来，与明军遭遇，明军杀死后金兵二三千人，后金兵“却而复前，如是者三”，经过激烈的交锋，明军终于饥饿疲劳，难以支持，在后金猛烈攻击下，死于陆地、河中，全军覆没。周敦吉、秦邦屏及参将吴文杰、守备雷安民等皆战死。明军桥北营先败，其余残兵败将归入桥南浙兵营，继续坚持战斗。他们在浑河之外五里地方布阵，列置战车枪炮，掘壕安营，用秫秸为障子，外涂泥巴。后金兵进战，明守奉集堡总兵李秉诚、守武靖营总兵朱万良、姜弼来援，大军足有三万人，行至白塔铺，观望不战。遣兵一千为哨探，遇到后金将雅松带着二百健卒，也前来探视。这名不争气的后金小将领，一见明兵就走。明兵放鸟枪紧追。努尔哈赤听到报告，气愤至极，到皇太极所部兵营相告，然后亲自领兵上阵。皇太极立即上马，领着骁勇的骑兵奔到努尔哈赤面前请示：“父汗何必亲往，我愿领兵前去抵挡。”努尔哈赤高兴地批准他的要求。皇太极策马飞驰，把明朝追兵立刻冲得东逃西散，乘胜追杀至白塔铺。皇太极又见李秉诚、朱万良与姜弼军布阵，来不及等待后兵至，即率百骑杀向敌营，明朝三总兵不能敌，一个个败下阵去。正追杀时岳托和代善先后来到，追出四十里，沿途死者约三千余人。收兵回营时，天色已晚。努尔哈赤再战浑河南明军，用战车冲破敌营，尽杀副将童仲揆、参将张名世及众官兵等。后金集中火力攻浙兵营时，激烈无比，一度胜负未分，后金靠增援部队才获得胜利。明军步兵无弓、撒袋，都持三尺长的竹竿长枪和腰刀，披上甲胄，外面套一层厚绵，刀、箭不入，但是最后仍被打垮。明军将士至死坚持战斗，给人留下极深印象。时人说：“自奴酋发难，我兵率望风先逃，未闻有婴其锋者。独此战，以万余人当虏数万，杀数千人，虽力屈而死，至今凛凛有生气。当时亡归残卒有至辽阳以首功献按臣张铨者，铨命照例给赏，卒痛苦阶前，不愿领赏，但愿为主将报仇。”天黑，后金收兵回营，当夜命令诸贝勒领精兵于沈阳城东门外教场安营，众将官率大军屯城内。
第二天，努尔哈赤责备雅松说：“我的儿子皇太极，父兄依赖如眸子（眼珠），因你败走，使他不得不杀入敌兵中，万一他遭到不幸，你之罪必千刀万剐。你为何率领我的常胜军望风而走？你把我军队的锐气都给丢光了！”怒斥之后，定罪削职。后金攻取沈阳，在城东、城内和浑河经过三次交战。浑河野战虽在攻得沈阳之后，但是没有这次胜利，沈阳也会得而复失。就在这一仗中，皇太极骁勇善战，为雅松不战而逃雪耻，为夺取全胜做出巨大贡献。
攻占沈阳之后，后金就准备夺取辽阳。努尔哈赤进沈阳城，住了五天，整顿兵马器械，论功行赏，对以前的作战告一段落。三月十八日，发兵攻辽阳。行前，努尔哈赤召集诸贝勒、大臣动员说：“沈阳已拔，敌兵大败，可率大军乘势长驱，以取辽阳。”经过商议，作了决定，立即行动。当晚，后金军渡过浑河，至虎皮驿扎营。八旗迎风起舞，大军列队向南，后金又一次大规模进军。明朝哨探见之，飞报辽阳城守文武官员说，后金大军攻取沈阳之后，现在已来攻辽阳，“旌旗蔽日，漫山塞野，首尾不相见”，已经虎皮驿下寨。果真来了，如此众多，神速，听者无不大吃一惊。
辽阳在明代是东北首屈一指的重镇，政治、经济与文化的中心。明朝重视保卫辽阳比沈阳更甚。先后经略辽东的熊廷弼、袁应泰都驻在辽阳，把保住辽阳作为对付后金的重点。他们的一切防务，都以辽阳为中心。熊廷弼经略辽东时，在辽阳挑堑濬壕，修筑工事最多。据载，当时辽阳周边挖了三四层城壕，沿壕列火器，环城四面分兵把守。袁应泰听说沈阳失陷，尽撤奉集堡、威宁营诸军，并力守辽阳。哨探来报后，又放太子河水于壕内，增加了一道新的防线。然而明末的辽阳与沈阳是共命运的。沈阳失守，辽阳如撤屏障。辽阳外围撤得越多，越显得它孤立无援。
三月十九日中午，浩浩荡荡的后金大军进到辽阳城的东南角，尚未全部过河，全力防守辽阳的经略袁应泰督催总兵官李秉诚、侯世禄、梁仲善、姜弼、朱万良等领五万兵出城，与后金来兵对垒。后金兵发现他们，努尔哈赤立即率左翼四旗兵前往迎战。恰在这时，皇太极领着精锐健卒赶到，要求带兵进战。努尔哈赤告诉他，已派兵上阵，他可不必去打。命皇太极率右翼四旗驻扎城边，注意嘹望。皇太极提出让后来的两红旗兵嘹望。说完，他领兵就往上冲。努尔哈赤命令阿济格上前劝阻，皇太极坚持冲上去。努尔哈赤爱护他的积极勇敢精神，把自己亲身统帅的两黄旗兵派去协助。皇太极备力冲杀，击明兵大营左侧，明兵放炮还击。皇太极杀到敌营内部，把他们打得落花流水。后金左翼四旗兵亦杀来，两相夹攻，明兵大败逃跑，皇太极乘胜追击，杀出六十里外，直到鞍山地界才返回。又有明兵一营，从城西门出，遇到后金两红旗兵，掉过头就往回返，争相入门，人马自相践踏，积尸不可数计。这是以皇太极为急先锋的后金兵攻辽阳，首战告捷，为攻取辽阳，打开了局面。当晚后金兵回到城南七里地方安营。
明兵以为用一道太子河水会把敌兵难住。二十日，迎着冉冉升起的红日，努尔哈赤激动地对诸贝勒、大臣说：看了绕城的河水，西有闸门，东有水口。我现在命令左翼四旗兵掘开西边的闸门，右翼四旗兵塞住东边的水口。他自己亲率右翼四旗兵布战车，在城边防御。命令士兵抬土运石堵塞水口。这时见明兵三万人出东门外安营，排列枪炮三层，连发不止。左翼四旗遣人来报告，西闸门难以掘开，如夺桥而入可能达到目的。努尔哈赤说，桥可夺则夺之，如夺到手，定来告我。说完，命来人返回。堵塞水口既已完毕，便命令绵甲军排车前进，攻击东门明兵。明兵发枪炮还击，后金兵走出战车外，过壕，呐喊向前，两军酣战。明兵的阵式是，步兵在前，骑兵在后。后金兵攻一阵，明兵没有退。后金有红号的精兵二百杀进来，接着又有两白旗兵一千也杀来，明朝骑兵先动摇，后金各贝勒部下的白号精兵都杀来了，反复夹攻，明朝步兵又败。他们争先恐后向城内败退，后金兵随后追击，大批人马蜂拥过河，不少人掉到水里淹死。死者满积，河水尽赤。
袁应泰在辽阳危如千钧一发之时，与巡按御史张铨登城分陴固守。但是，监司高出、牛维曜、胡嘉栋及督饷郎中付国等却畏敌如虎，城未破，就先逾城逃走。他们的怯懦行为动摇了人心，影响了士气。而后金军越攻越猛，他们在小西门夺了桥，过桥入城，冒着炮火登上城墙。这天夜里，明军一直坚持战斗到天亮。三月二十一日，后金军发起冲锋，八旗所有官兵一致行动起来，沿城追杀。袁应泰督诸军列楣抵御，又兵败如山倒。傍晚，小西门弹药起火，烧到城楼上，各军窝铺、城内草场全部焚毁。守城部署土崩瓦解。袁应泰见城楼火焰冲天，知大势已去，在城东北镇远楼上，与妻子奴仆一起自焚而死；分守道何廷魁携妻子投井亦死；总兵官朱万良及众多副将、参将、游击等战殁。张铨被活捉。广大的城内居民削发归降。全城张灯结彩，用黄纸写“万岁”的标语牌，抬着轿，迎接努尔哈赤。中午，红日高悬，鼓乐齐鸣，官民人等深深地鞠躬，站在街道两旁，恭恭敬敬地欢迎这位新主人入城。经略衙门变成了金国汗的临时行宫。
辽阳城被后金攻占后，动人心弦的不完全在于大街小巷上的欢庆胜利。张铨壮烈殉国的那个场面更使人心动。张铨是一位无限忠诚明朝，看重民族大义的封建官僚。他在辽阳城被后金攻占时，“衣绣衷甲，下城，随从的人们拥他出小南门，让他换去这套装束，他不听，又返回到官署。李永芳来拜访他，谢绝说：“你对我说，我对谁讲，今天没有可谈的！”把他推了出去。李永芳同张铨一起走，劝张铨投降，张铨卧地不起，把脸面都碰伤了。命令张铨拜见努尔哈赤，他挺立于庭，左右压着他跪拜，张铨瞪着眼睛大叫：“我身为天子大臣，岂能屈膝！”张铨臂力很大，谁也扭不过他。揪着头发要出去砍头，再招呼进去，好言相劝，希望他投降，归终不屈服。张铨从容说道：“我受朝廷厚恩，如降你们，遗臭万年。你们虽想我活，而我却只想一死。养人，这是你们做的好事；死，则我的美名流芳千古。”张铨宁死不降的事被努尔哈赤知道，他说，若不战而降，理应优养，捉到的战俘，既然不愿活着，难道还能收养他吗？下令推去斩首。皇太极对这位大明忠臣十分敬仰，可怜他，不忍心这样杀死。皇太极引证古代历史，劝张铨说：“过去宋朝徽、钦二宗，为以前的大金天会皇帝所擒，尚且屈膝叩见，受封公侯，我想使你活下去，特地说说此事以提醒你，为何还执迷不悟，迄今不屈服？”张铨回答他说：“王的一番教诲，终生难忘，然而无非劝我活着。但是徽、钦二宗乃是乱世的小皇帝。我们现在是皇帝一统，天下独尊。我怎么能屈膝投降，而失掉大国的体统？即使留我十天，不过迟十天不死而已。没有再活下去的道理。我之所以苟延一时，为的是替后来的人民着想。以前，决策人愚昧无知，不识时务，人民遭殃，死者很多。我见你们大兵也这样打杀，没有什么好处，白白地使人民断送生命。我要把这些事用奏疏报告给我的朝廷。两国和好，人民得以免死，我也有了美名传于后世。如我已死，我的母亲、妻子及五个子女都在家得以保全。我如贪生怕死，连宗庙也会断祀。所以除死之外，别无选择。”努尔哈赤知张铨终不能降服，便用绳子将其勒死，埋葬了他的尸体。
后金占据辽阳，影响到周围许多地方官弃明投金。此后数日间，金、复、海、盖诸州，“悉传檄而陷”。据清朝文献所载，包括的城堡如下：
辽阳既下，其河东之三河、东胜、长静、长丁、长定、长安、长胜、长勇、长营、静远、上榆林、十方寺、丁字泊、宋家泊、曾迟、镇西、殷家庄、平定、定远、庆云、古城、永宁、镇夷、清阳、镇北、威远、静安、孤山、洒马吉、瑗阳、新安、新奠、宽奠、大奠、永奠、长奠、镇江、汤站、凤凰、镇东、镇夷、草河、威宁营、奉集、穆家、武靖营、平虏、虎皮、蒲河、懿路、汎河、中固、鞍山、海州、东昌、耀州、盖州、熊岳、五十寨、复州、永宁监、栾古、石河、金州、盐场、望海埚、红嘴、归服、黄骨岛、岫岩、青台峪等大小七十余城，官民俱自发而降。
后金与明朝争夺辽阳、沈阳的战争，虽然在两个城市及附近打仗，加上中间休整五天，经过十余天，总之是一次重要的大战，可称为辽沈之战。这次战争以后金胜利告终。同以前最大的区别是后金攻下辽阳、沈阳之后，占为已有，再也不想退出。明朝本有极正当理由动员广大人民支持他们保卫辽沈，也完全可能调动数十万大军为保卫辽沈而战，但是，他们没有这种能力和气魄，他们非常艰难地组织了毫无胜利希望的抵抗，最后以惨败结束。这是战机不利，统治者缺乏必胜信心造成，也是士气不振的结果。从抚、清之战以来，明朝的士兵就厌战、怯战，情绪低落。特别是萨尔浒之战的失败，对明朝军民影响极大。大学士方从哲曾说：“三路丧师之后，人心不固，兵气不扬，一则失去广大人民和士兵的支持，明朝的失败是注定的。沈阳之役，援兵没有及时相救。沈阳失陷，辽阳立即孤立，辽阳被包围，再也没有来援兵，反映了明朝在辽沈的十余万军队不能在需要时发挥应有的战斗作用。再则，用将也不当。沈阳守将贺世贤，有勇无谋，被诱陷计。辽阳守将袁应泰“用兵非所长”，岂能抵挡身经百战的努尔哈赤及皇太极等。
皇太极奋勇当先参加战斗的辽沈之战，使后金从明朝统治者手里夺得了东北地区的头等城市和辽河以东的全部地区。从此后金的战争转向了基本以争城夺地和掠夺明朝统治区内的财物为目的，与明朝对峙，分地而治。天命六年（1621年）后金迁都辽阳，五年后又迁都沈阳。皇太极做后金汗和大清皇帝的都城，也是他亲自参加浴血奋战夺取的。