辽阳是明朝辽东的首府，沈阳是明朝辽东的重镇。努尔哈赤取得萨尔浒大捷后，便同明朝争夺对辽东的统治权，天启元年即天命六年（1621）三月十二日，八旗军兵临沈阳城下。努尔哈赤没有用强兵攻城，而是派骑兵挑战。
明朝守城总兵贺世贤行伍出身，日夜饮酒，有勇无谋，贪功出战，中数十矢， 坠马而死。八旗军乘胜攻城，城里内应，吊桥绳断，拥门而入。明兵民被杀者，据说有七八万人。
努尔哈赤攻陷沈阳后，亲率八旗大军，“旌旗蔽日，弥山亘野”，向辽阳进发。十九日，包围辽阳。明辽东经略袁应泰派五员总兵出城五里结阵，与后金军对垒。
努尔哈赤匹马独进，并派四旗兵进击，明军发炮接战。后金军火炮齐发，骑兵冲杀，明军阵乱，开始溃散。努尔哈赤督兵乘胜追击，初战告捷。
二十日，夜宿野营的努尔哈赤，督军从东门和小西门两面攻城，东门由明经略衰应泰亲自统兵应战。努尔哈赤命右翼四旗兵拼死强攻，明 军发火器还击。后金骑兵呼喊驰进，明守军排列三层，施放火器，进行抵御。努尔哈赤督兵强攻，袁应泰命军抗御。
由于八旗兵攻势凌历，明守军受挫动摇，总兵梁仲善、朱万良战死，部众大溃，经略袁应泰退入城内。努尔哈赤在东门获胜后，又集中八旗兵力攻打小西门。
明军从城上放火箭、 扔火罐，万矢下射，奋力抵御。努尔哈赤命竖云梯、用车楯桥破门。明军挑灯夜战，直到天明。
二十一日，努尔哈赤亲督左右翼兵，向辽阳城发起总攻。激战一天，夜幕降临，小西门内应，城楼上起火，满城慌乱，明车溃散。经略袁应知城已陷，佩剑印，自缢死。
天命汗在九天之内连陷沈阳和辽阳，数日间，金（州)、复（州）、海（州）、盖（州）传檄而下。不久努尔哈赤将都城由赫图阿拉迁到辽阳。
沈辽之役，是清朝与明朝兴亡史上的转折点：努尔哈赤攻占明朝辽东首府辽阳及辽东重镇沈阳，标志着明朝在辽东统治的结束和后金在关外汉人地区管制的确立。
这场战争，努尔哈赤巧妙地运用集团兵力，攻坚作战，围城打援，里应外合，举夺取沈阳和辽阳，成为中国军事史上著名的战例。
沈辽之役的影响与意义，远超出军事的范围。努尔哈赤在沈辽大捷后，先迁都辽阳，再迁都沈阳，从此在关外站住了脚，为后来清军进关、入主中原、统一中国莫定了基础。