九月二十四日，由四万人组成的明军援军终于到达。这支部队由监军道张春率领，他是举人出身，在收复永平四城的战斗中表现出色，为孙承宗所看重。这次大凌河被围，孙承宗力荐他担任监军道，朝廷派他前来。

九月二十七日，大军过小凌河直逼大凌河城，在距离大凌河城十五里的地方与鞑子相遇。为了阻止骑兵的冲击，张春动用了许多战车，这些战车上配备了火器。双方开始交战，鞑子几次冲击都未能成功，而战车阵势则缓缓向前推进。

皇太极看到这一情景，露出了冷笑。他的红夷大炮早就准备好了，等待着对方的到来。如果此时是袁崇焕，他绝对不会让部队暴露在红夷大炮的射程之内。

当明军进入红夷大炮的射程时，四十门红衣大炮先后发射，明军的阵营立即陷入混乱。皇太极率领军队冲破明军的阵线，明军被杀得节节败退。明军溃逃之后，皇太极早已在明军撤退的路上埋下了伏兵。明军们遇到伏兵时，大多放弃抵抗选择投降。

张春和他的三十余名将领被生擒，只有总兵吴襄和宋伟率领数十人侥幸逃回。四万援军直接土崩瓦解。从此之后，大凌河的援兵彻底断绝。

时间来到十月初九日，城中早已断粮多日，连马匹都已经吃光，甚至不得不开始食用死人的肉。在城中的三万余人中，已经有一万多人饿死，但祖大寿和他的军队仍然坚持着。

即使陷入了如此绝望的境地，皇太极连续劝降祖大寿和他手下将领何可纲和张存仁，但都遭到了祖大寿的拒绝。

大凌河城中的军民们又在地狱中挣扎了一个月，直到十一月初九日，祖大寿见再也等不到援军的到来，才选择投降。此时，城中的三万多人只剩下一万一千六百八十二人。

这次战役共俘获明军将领七十余人，其中不乏高级将领。皇太极对这些降将一律官复原职，并给予了重用。

虽然祖大寿只是诈降，之后又找机会逃回了锦州，但皇太极这一政策取得了良好的反响。历史上崇祯六年，毛文龙部下的汉军孔有德和耿仲明，就因为此政策率部投降。