祖大寿被包围之后，多次发动突围行动，但均以失败告终。同时，大凌河城周围的墩台，也在后金（清）军红衣大炮的威慑下纷纷投降。而此时，明朝也在调集军队，准备解围大凌河城，援救祖大寿。
在8月16日，自锦州方向开来了大约2000名明军，结果被后金军击败，100多人被杀，损失战马十三匹。8月26日，锦州又发兵6000多人，猛攻阿济格的军营，《满文老档》对这场战斗记载得相当玄幻“当时大雾；对面不见人。及敌逼近，有青蓝光线，自天卫入明军营，雾开如门。於是，阿济格台吉、硕托阿哥率兵进击时，忽然雾霁，遂击败明兵，追杀至锦州城”最终明军被击败，后金军缴获甲胄269副，马260多匹，明军有一游击，两名小旗（下级军官）被俘，后金军审问俘虏得知，明军死伤约500余人。
在9月16日，皇太极得知关内明军又一次集结，准备前来营救祖大寿，于是亲自兵至锦州，在锦州城外击败明军7000余人，杀死明军一员副将，活捉一名把总，缴获战马上百匹。此时大凌河城内的祖大寿军已经是岌岌可危，粮食战马牲畜早已杀吃殆尽，祖大寿被逼无奈只能杀人而食，先带兵杀死城内的夫役，然后明军各营之内开始自相残杀，相互吞食，惨不可言。
9月24日，明朝监军张春，总兵吴襄（吴三桂之父）、宋伟领兵四万人自锦州出发。当然了，这个四万人是《满文老档》的数字，按照天聪五年的《八旗值月档》记载，张春，宋伟，吴襄等人带领的原因刚到山海关时，仅仅有骑兵7000人，步兵一万多人，按照明方的记载，这支援军的兵力更为可怜，骑兵有7000多人，另外还有一个车营，共计4900名步兵，百余名骑兵，以及3000步兵，骑兵在开战时期就已经逃跑，所以说在这支援军中，真正和后金军对抗的明军也就8000人上下，而阻击明朝援军的后金军按照后金军自己的说法，总共大约15000多人，也就是说后金军始终都在以多打少，明朝调援军七拐八绕总共才拼出不到两万人，充分体现出此时明朝在辽东的虚弱。
9月25日，明军渡过小凌河，开始构筑阵地，9月27日又渡过大凌河，距离大凌河堡城仅仅十五里“见明马、步兵合营，四面布列大小枪炮”皇太极担心贻误战机，命令后金军在没有盾车的情况下向明军阵营发动冲锋，双方在大凌河和长山之间交战，吴襄率领的明军骑兵当即卖队友，逃之夭夭，明军骑兵跑得飞快，事后统计其损失不过100多人，剩下的明军步兵“岿然不动”，火器齐发“击震天地，铅子如电，矢如雨霰”，左翼后金军甚至未能成功冲到明军阵前，而右翼之后金军成功冲破明军营垒，明军战斗意志顽强“复聚列阵”，甚至纵火反击。
后金的战车兵赶到，在盾车的掩护下，后金军继续猛攻明军阵地，骑兵发动冲锋，然后明军仍然岿然不动，后金军“矢下如雨霰”，两军继续，运用火器和弓箭互相射杀，要知道后金军队的盾车的功能可不只是挡子弹“四月初一日，汗降书谕曰：“著每牛录遣甲兵百人，以十人为白巴牙喇，携炮二门，枪三枝；再将九十甲兵分之，其四十甲兵为红巴牙喇、携炮十门、枪二十枝，又十人，携盾车二辆、水壶二个。黑营五十人，携炮十门、枪二十枝，又二十人携盾车二辆、梯一架、凿子二把、锛子二把、钓钩二个、镰刀二把、斧二把、席四领、叉二把、连夹棍一根、水壶二个及一月用之木炭、绵甲十五副。每一甲喇携大炮二门”。
也就是说，后金军在推着盾车前进时，明军还要承受着由后金军火器的射击所带来的巨大伤亡，而直到长山之战结束前，后金军已经缴获明军“红衣炮三位、大将军炮七位，三等将军炮六百位，无名炮一万位”这里当然包括长山之战的缴获数，再结合大凌河之战中后金军红衣大炮所出现的频率，因此我们可以说，在此战中，明军的火力是远远不如后金军的。自此之后十余年，后金（清）军之重炮部队愈发壮大，逐渐压倒了明朝。
明军终于在后金军大炮的轰鸣声中崩溃，监军太仆寺卿张春、左翼副将都督张洪谟，副将三员、参将四员及游击九员、都司二员、备御七员、千总六员，共计33名明朝将领被俘虏，宋伟车营 的 4900多名士兵，百余名骑兵以及副将王秉忠、参将李光孝所带领的3000名步兵，基本上全部阵亡，大量的火器和甲胄落入后金军之手，这场惨败让兵力原本就捉襟见肘的辽东明军更加虚弱，同时也决定了大凌河城内明军的命运。