此前，熊廷弼鑒於瀋陽城牆「高不盈丈余、面窄僅五六尺」，無法架設大炮，於是命擴置外牆，挖掘壕溝陷阱、布置柵欄拒馬來遲滯攻城八旗騎兵，並配備了數重火器環列，充當城防。然而，此次後金首次在攻城戰中投入大量楯車，可以在遠距離抵禦輕型火炮，減輕傷亡。
明史中關於楯車記載，「奴以牌車推遮一車二十餘人」的大傢伙
史載，後金軍進攻，「前一層用木板，約五六寸，用機轉動，如戰車之制，以避槍炮；次一層用弓箭手，次一層用小車載泥土以填溝嶄，後一層仍用鐵騎，人馬皆重鎧，待我火炮即發，突而出，勢若風雨。」
八旗軍向瀋陽發起了潮水般的進攻，明軍（瀋陽守軍為原遼東軍）雖然火力全開，但是明軍的鍛鐵炮太輕、容易過熱炸膛，火力難以持續。憑藉楯車掩護，後金兵利用各種推土器械填平壕溝、拆毀柵欄，沖入明軍陣地之內，迅速以近戰擊潰外城守軍。瀋陽城牆低矮破敗，內有姦細內應作亂，而總指揮早前貪功中計身死致無人指揮，遂被八旗輕易攻破，總兵賀世賢、副總兵尤世功等相繼戰死。
《滿洲實錄》中繪製的瀋陽攻城戰
《滿文老檔 第十九冊 天命六年三月》記載：「十三日卯時，綿甲兵攜盾車，往攻城東。明人掘塹十層，深一人許，塹底插有尖木。塹內一箭之地，復浚壕一層，壕內側以一二十人始能抬起之大木為柵。柵內又掘大壕二層，寬五丈，深二丈，壕底插有尖木。壕內側排列盾車，每車置大炮二門、小炮四門，第車間隔一丈，築土為障，高至肚臍，障間設炮各五門。我軍攻其堅城，辰刻抵城，即刻攻克，聚殲明兵七萬。陣斬主將賀總兵官、尤總兵官及道員和副將、參將、游擊等大員三十人，其餘千總把總等低級官員，不計其數。得其城，盡殲其兵。」
當瀋陽被後金猛攻之時，總兵陳策、童仲揆等率領虎皮驛、黃山等處四川石柱土司兵、酉陽土司兵及其他四川漢土兵、湖南保靖土司兵 、永順土司兵 、廣東狼土兵、河南毛兵、浙兵一營約二萬馳援瀋陽，剩餘一營浙兵及其他明兵約萬人防守虎皮驛、黃山大營。
部隊推進到渾河，欲與瀋陽城內的明兵對後金兵進行夾擊。此時傳來瀋陽城破的消息，陳策欲退兵守大營，為部將周敦吉等人阻止，說：「我輩不能救沈，在此三年何為？」於是，「石柱兵先進，渡渾河，諸營畢進」。
副總兵、四川石柱都司僉書秦邦屏（秦良玉的兄長）率領石柱兵先渡河北進，其餘土司軍、廣兵、毛兵、浙軍隨後。
努爾哈赤發現明軍渡河，立即命令右固山（右翼四旗：正黃、正紅、鑲紅、鑲藍）取棉甲、攜楯車迎戰。精銳的紅巴牙喇不待主力集結，即行獨自對明軍展開阻擊。
渾河雖然距離瀋陽城僅七里，但遭遇八旗主力阻擊後已無法直衝瀋陽城下，而如果直接後撤渾河，被敵騎兵掩殺，非大敗虧輸不可。白杆兵及另五營明軍馬上立營結陣，準備迎擊八旗騎兵的衝擊。陳策、童仲揆、戚金、張名世等統帶各將官家丁兩千在橋南立營督戰，尚未過橋的浙軍在南岸以為呼應，並派出少量兵力開始做列陣準備。
巴牙喇（滿語音譯，順治十七年改稱護軍）是從八旗中精選的敢死之士，為各旗主的拳頭部隊。後金史料記載：「右翼四旗捕撈抵彼，不待綿甲，紅巴牙喇兵至來即進擊。明之步兵，皆系精銳兵，驍勇善戰，戰之不退，我參將一人、游擊二人被擒。」
紅巴牙喇雖然被土司軍擊敗，但是為努爾哈赤集結兵力爭取了時間。右翼四旗主力趕到後，替換下紅巴牙喇，開始對明軍的陣型展開反覆衝擊，各營明軍死戰不退。
據明朝方面史料記載，土司兵連續擊退八旗軍的猛攻，後金軍被打得「紛紛墜馬」，「死於槍弩者數千人」。清人谷應泰著的私史《明史記事本末》記載：「川兵營甚堅」，「諸將奮勇迎擊，敗白標兵（白旗），又敗黃標兵（黃旗），擊斬落馬者二三千人。」然而，八旗非常強悍，「卻而復前，如是者三」。
《滿洲實錄》中渾河北岸戰鬥繪圖
後金軍發起了一輪接一輪的攻擊，土司軍被一步步壓迫到渾河岸邊。當時戰場混亂，由於無法在北岸從容列陣，因而戚家軍未過河增援，遂在渾河南岸五里外布陣，列置戰車槍炮，掘壕安營，用秫秸為柵，外塗泥巴，準備死守。
在八旗軍連續的強力衝擊下，北岸的明軍終於支撐不住，陣型被衝破。從古至今，步兵打騎兵唯有依靠結成緊密的陣型，如果陣型一破，那就只剩下屠殺。
周敦吉（四川永寧宣撫司）、秦邦屏及參將吳文傑、守備雷安民等皆力戰而死，周世祿率部從西北殺出，鄧起龍、袁見龍帶領殘軍撤過渾河，均進入浙兵陣內。
《兩朝從信錄》卷六《張思任目擊艱危疏》：「有為沈城既破，川兵紮營甚堅，李永芳得我火炮手，親什其縛，人賞千金，即用以攻川兵，而川兵無不立碎者。」此一說法常常被人用來證明土司軍是因遭火炮轟擊而敗，但屬自我安慰，不足信。無論是後金當時的作戰記錄還是明朝遼東巡按張銓的奏報均沒有提及此事。瀋陽城牆矮小，無法布置大炮，且明朝新造之呂宋銅炮僅配備到了遼陽和奉集堡兩處，瀋陽城外是預先配置的小炮，射程短、威力小，需敵軍抵近時發炮方能造成殺傷。
《明實錄熹宗實錄》實錄卷之七：「川浙總兵陳策等率師援瀋陽及奴賊戰於渾河死之時策等提兵至渾河橋南聞瀋陽失守下令還師禆將周敦吉等固請進戰石柱土司副總兵秦邦屏引兵先渡河與諸將營橋北浙兵三千與陳策等營橋南邦屏等營未就奴四面攻之將卒殊死戰殺奴二三千人賊卻而復前如是者三奴益生兵至諸軍飢疲不支周敦吉秦邦屏吳文傑雷安民皆戰死他將走橋南入」。
《滿文老檔》記載：「汗往觀之，見渾河以北一里外，有步兵二萬，分立二營，乃命右翼四旗兵取綿甲、攜盾車，徐進攻其二營兵。右翼四旗捕撈抵彼，不待綿甲，紅巴牙喇兵至來即進擊。明之步兵，皆系精銳兵，驍勇善戰，戰之不退，我參將一人，游擊二人被擒。此後，擊敗其兵，自陸路追殺至河中，盡全殲之。」
殲滅了北岸明軍後，八旗軍渡河將浙軍包圍，準備發起攻擊。
當得知瀋陽城陷，巡按張銓傳遞命令給奉集、武靖、虎皮、威寧等地明軍，要求撤退回遼陽。副總兵朱萬良、姜弼率領的兩萬援遼邊軍，行至白塔堡立營，派出一千騎步兵向圍攻浙營的後金軍發起試探性進攻。
「滿洲雅松領二百健兵「迎戰，巴牙喇兵見明軍勢大，稍一接戰即落敗遁走。明軍緊追不放，斬殺五名敵軍，奪四匹馬，後續大部隊隨行殺上，直追到後金左固山（左翼四旗，正藍、正白、鑲黃、鑲紅）營前。
努爾哈赤得到報告，大怒，遂令大貝勒代善、皇太極，台吉岳托等率部分右翼四旗馳援，左翼四旗隨即發起反擊。在後金左右翼的夾擊下，明朝建立以來號稱精銳的九大邊兵迅即崩潰。
《清太祖武皇帝實錄》：「帝聞報大怒，親領兵迎敵，因至四王營告之，遂前進。四王急上馬領健騎奔帝前曰：「父皇何須親往，吾願領兵前敵。」帝允其言，四王率兵疾進，其追兵四散奔北。」對於戰敗的雅松，「次日，帝責雅松曰：「吾子皇太極父兄依賴如眸子，然因汝敗走而殺入眾軍中，萬一有失，罪應凌遲，汝何故率吾常勝之軍，望風而走，以失銳氣？」 大怒痛罵，遂定罪，削其職。」
《滿洲實錄》中白白塔堡之戰繪圖
朱萬良、姜弼兩總兵率騎兵逃走，隨行的武靖、虎皮、威寧步兵遭受攻擊。巡按張銓第一時間的報告是「士卒聞風而潰，武靖營已報步卒逃矣。」其實，當為總兵官帶騎兵逃走，獨立難支的步兵未能逃脫，被後金軍打垮。
《滿文老檔》記載：「時河南五里外，見一營步兵，有一萬人，掘壕布置槍炮盾車以待。我兵將往戰、有遼東之兵、武靖營之兵、虎皮驛之兵、威寧營之兵，及三總兵官之騎兵三萬來援，於白塔鋪前安營，先遣兵三百來戰。明張、朱二總兵官率兵放炮遙躡我先遣之二百名巴牙喇兵，待至左翼四旗大軍營地，左翼四旗兵即行反擊，敗明三萬兵，追擊四十里，殺其三千，然後收兵攻其後營步兵，盡殲之。明三營步兵未攜弓箭，俱執丈五長槍及鋒大刀，身著盔甲，外披帛被，頭戴棉盔，其厚如許，刀槍不入，然我兵沖入盡殺之。「
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