当时明辽东总镇经略：袁崇焕，麾下有九千关宁铁骑，见敌人来袭退无可退的情况下，才仓惶迎敌，他立即传令明宁远卫都司：戴承恩，让全军入营垒，再让明辽东总镇总兵兼征辽前将军：祖大寿，在南、明宁远卫总兵：王承胤，在西北、他则自率亲兵在西，结成〈品〉字形阵，阙东面以待敌。

后金军的前锋正蓝旗、镶白旗、正白旗、镶黄旗，一起直扑明征辽前将军：祖大寿，的东南角而来。

四旗后金军与漠南蒙古内喀尔喀骑兵们，在即将与明军接战时，后金蒙古联军们才又发现了宁远卫明军阵营，因此一部分后金蒙古联军(即豪格部)又向北直冲击宁远卫明军，使得明宁远卫总兵急忙下令南撤躲避。

而其余三部后金蒙古联军依旧直冲辽东明军阵营，导致明征辽前将军本部顶着巨大压力，只得率兵奋死抵抗。

然而后金蒙古联军的骑兵前锋首先打乱了辽东明军火器营部署，吓得明征辽前将军连忙边战边退至城壕处。

经过两次的冲锋，后金蒙古联军就已经彻底击溃了宁远卫明军、辽东明军两部阵营，再集中两路骑兵，向西闯入明辽东总镇经略：袁崇焕，的关宁军阵营当中。

此举让明辽东总镇经略猝不及防，在后金蒙古联军的箭矢射击以及冲击下，前排明军火器营才发几铳便崩溃，少数后金蒙古联军直接冲入阵营，开始冲散明军防御，混乱中主帅旗下的明宁远卫中军旗鼓官：周文郁，身中数箭因只身穿布面甲防御力薄弱，而身负重伤！

也致使袁督师身旁护卫的标营被冲散，导致杀入阵营的东虏建奴鞑子骑兵射中袁督师身穿的锁子甲，但因盔甲防御甲片比较扎实，加之有护心镜因此没被射穿身体。

随后袁督师还被两个东虏建奴骑兵给砍了两刀环手臂，险些摔落下马，样子极其狼狈。

好在关键时刻，事先埋伏于城内的京营主力；神机营、神枢营（嘉靖年间改的三千营）、东城兵马司、府军左卫、虎贲左卫、金吾左卫、燕山左卫、大兴左卫、等约有2万余人瞬间杀出城来。

在京军火器的加持下，这才吓跑了这支入侵的后金蒙古联军的偏师，其中明虎贲左卫游击将军：刘应国、明东城兵马司副指挥使：罗景荣、明神机营千总：窦浚，等将领追击敌军斩杀不少东虏与北虏于运河边上，总计杀敌千人，京军亦受伤数百人。

至黄昏酉时，京军们才收兵，朝廷上赐酒食犒劳京军，取得了整个广渠门大战的胜利。

不过在这些京军出击之前，与后金蒙古联军激战一个时辰，转战10余里的关宁军为何与敌交战便一触即溃？而且还是朝廷花重金打造的精锐，这与之前孙督师监管辽东都指挥使司宁远卫时的战力完全不同。

因此也被很多京军怀疑是否真是袁督师有意勾结东虏与北虏？想促成议和之事？所以才不愿意与敌正面交锋的呢？

次日，明毅宗与内阁以及兵部商量后，决定暂时打开德胜门的瓮城，放大同明军入城休养。

11月23日，明毅宗于紫禁城乾清宫大殿内召见明辽东总镇经略：袁崇焕、明辽东总镇总兵兼征辽前将军：祖大寿、明大同总镇总兵：满桂、明宣府前卫总兵：黑云龙、明招练总兵：孙祖寿、明蓟州卫总兵：麻登云，以及明兵部尚书：申用懋，等将领询问战绩安抚人心。