其中有二十多人阵亡，袁应泰就以此为理由淡化群众议论。
大批清兵进攻沈阳，总兵官贺世贤、尤世功出城奋战，败北而回。次日，蒙古降人果然作内应，使两员大将战死，总兵官陈策、童仲揆赴援，也阵亡。袁应泰就令奉集、咸宁各军撤退，全力守辽阳，并引水注入城河，沿河排列大炮，兵士环城守卫。清兵临城下，袁应泰亲自督率总兵官侯世禄、李秉成、梁仲善、姜弼、朱万良出城五里迎战，被战败，死伤很多。
当晚，袁应泰未进城，宿军营中。第二天，后金军掘开城西闸门排除城壕内积水，又派兵守住城东水口，渡城河大呼而到城下，双方鏖战很久。很多清军骑兵冲到城边，被战败的明军向城外奔去，有的被淹死，有的被清军杀死，伤亡惨重。清晨，袁应泰进城，与巡按御史张铨等分陴固守，监司高出、胡应栋等翻城墙逃走，人心离散。
后金军又攻城，袁应泰督率军士持盾牌大战，又败阵。到傍晚，更楼起火，后金军从小西门进城，城中大乱，很多居民点灯等待后金军，妇女也盛装在门前迎接，据说这是蒙古人所引导的。袁应泰在城楼上见此情况，觉得大势已去，无法挽回，对张铨叹息说：“你没有守城的责任，赶紧走吧！我死在这里！”说罢就佩了剑、印自缢而死，他的妻弟姚居秀也跟着自杀，仆人唐世明抚着袁应泰的尸体大哭，放火烧楼而死。此事传到朝廷后，追赠袁应泰为兵部尚书，并隆重祭葬，封其子为官。