公元1619年2月，屢試不中的袁崇煥第六次赴京參加會試，這一年，他已經36歲了。此時正是遼東戰亂不斷——努爾哈赤建立的後金政權崛起之後，接連發動了對明朝疆域遼東各地城池要塞的攻掠。此時的後金勢力鋒芒強勁，所向披靡。當時，遼東經略楊鎬統兵24萬討伐後金，結果一敗塗地。楊鎬討伐失敗的消息傳到北京後，朝野震驚，亟待選拔真才以為國用。胸懷大志的袁崇煥隨即在應試中借題發揮，痛陳時弊，得到了閱卷的東林黨人的青睞。結果袁崇煥以「第三甲第四十名賜同進士」。
中進士後不久，袁崇煥就被授任福建邵武縣知縣。素有大志的袁崇煥一上任，就整頓吏治，勤於政事，斷獄雪冤，清明如鏡。在邵武當知縣的兩年時間裡，袁崇煥剛正不阿，為官清正，盡心為民，尤其他為人慷慨豪爽，和藹可親，因而深得民心。
素有報國之志的袁崇煥在處理政事的同時，積極研讀軍事書籍，他曾專門對戚繼光的《練兵紀要》、《紀效新篇》和率廣西狼兵抗倭的瓦氏夫人的《岑氏兵法》進行了深入的分析。他曾對幕僚說：「如果讓我去鎮守遼東，敵寇必不敢如此猖獗。」
在後金政權犀利的進攻下，明軍節節敗退，損失慘重。而明軍的失利有三個方面的原因：第一，與明朝中央政府的政治腐敗有很大關係；第二，朝廷內部東林黨與「浙黨」之間的黨爭也影響著遼東戰局；第三，在天啟、崇禎年間則是「閹黨」及其餘孽亂國。
1621年3月，努爾哈赤率後金軍從水陸並進，迅速攻下瀋陽、遼陽。援遼總兵陳翼所在瀋陽渾河戰死，遼東經略袁應泰城破自縊，明遼河以東大小70多座城堡相繼失陷，朝野震驚。後金隨即在遼陽修築新城，遷都遼陽，稱「新京」。
袁崇煥得知明軍失利的消息後，心中甚是憂慮。特別是在1622年，當袁崇煥因政績卓著被召赴京師覲見時，後金軍西渡遼河，席捲遼東，威逼山海關。力主固守抗敵的遼東經略熊廷弼身無士卒，只好退守關內，導致廣寧、義州等地相繼失守，明軍在遼東的軍事防線全面崩潰。此時的袁崇煥隨即自告奮勇，冒著生命危險單騎出關考察形勢，回京後稟報關外軍事情況，並毅然請纓出關抗敵，提出「予我軍馬錢谷，我一人足守此！」
在主戰派官員御史侯恂等人的賞識和提拔下，袁崇煥被破格任用。明熹宗親自擢袁崇煥為兵部職方司主事、山海監軍。隨即又將他升任為山東按察司僉事。一個月後，袁崇煥進駐山海關，隨即出關移居中前所、前屯衛，安置邊民，整飭邊備，督促練兵。
1623年初，袁崇煥伺機而動，收復了被後金佔領的八里鋪至寧遠兩百里內的五城七十二堡失地。同年9月，在大學士孫承宗的支持下，袁崇煥築守寧遠城，構建關寧防線。袁崇煥親自督責，領四方軍民合力營建寧遠城垣，經過一年時間的緊張施工，寧遠城得以建成。
與此同時，袁崇煥實施了「以遼土養遼人，以遼人守遼土；且戰且守，且築且屯；守為正著，和為旁著；以實不以虛，以漸不以驟」的政策。在營築城池的同時，積極督率軍民造械練兵和墾荒屯田、充足糧草，這一政策很快就使動盪的邊關轉危為安，整個遼西形勢終於穩定下來。因為表現卓越，很快袁崇煥又被提升為兵備副使，並被列為預儲巡撫。
此時的後金勢力採取步步為營的戰略，積極向南逼進，鋒芒直指袁崇煥統領的山海關地區。袁崇煥相機而動，和遼東經略孫承宗積極遣將分戍錦州、松山等重要的軍事要塞，並積極修繕城池，增兵駐守。如此一來，以寧遠城為中心，西至山海關兩百里，東至錦州兩百里的關寧錦防禦體系終於得以形成。
出乎袁崇煥意料的是，正當其全神貫注地實施恢復遼東的計劃時，明朝內部的黨派鬥爭愈演愈烈——主戰的東林黨在與宦官黨派的鬥爭中敗北。遼東經略孫承宗也因閹黨攻擊而被革職。取而代之的是主張「棄遼」的閹黨權臣高第等人。「棄遼」派認為「關外必不可守」，主張「盡撤錦、右諸城守具，移其將士於關內」。而高第沒有給袁崇煥任何理由，強令袁崇煥撤離寧遠。袁崇煥則表達了自己的主張「我寧前道也，官此當死此，我必不去」，拒絕棄城出逃。
而後愈演愈烈的鬥爭無疑也讓袁崇煥的處境雪上加霜：此時朝中主昏政暗，魏忠賢閹黨權勢熏天，專制朝政，左副都御史楊漣疏劾魏忠賢24條罪狀，反遭其陷，導致首輔葉台山、次輔韓相繼遭罷黜，吏部尚書趙星南等朝臣獲獄被逐，一時朝政廢弛，殃及邊關。
明朝的內亂給了後金機會。公元1626年，努爾哈赤趁明朝內亂，率大軍西渡遼河，很快就攻下了錦州、凌河、松山等地，然後又以重兵包圍了寧遠城。
在這場攻守大戰中，面對努爾哈赤號稱20萬大軍的進攻，袁崇煥全力以赴，終於保住了寧遠城，並取得了赫赫戰功，努爾哈赤親臨前線指揮，被袁崇煥的紅夷大炮打成重傷，不久不治身亡。這是努爾哈赤揮師南下大小數十戰中唯一的失敗，也是致命的一戰。袁崇煥也因功績卓著而晉陞為遼東巡撫。
第二年五月，努爾哈赤之子皇太極親率10萬大軍攻打錦州。袁崇煥聞訊，立即召集眾將部署戰務，在令將士死守錦州的同時，他令寧遠守軍堅守待敵。還令諸將分派各地，堅壁清野，相機戰守。袁崇煥的「守為正著」的軍事策略，使後金屢屢受挫，迫使皇太極不得不集中力量攻打寧遠。袁崇煥雖被利箭射傷，血染戰袍，但他晝夜督戰於城樓上，最後皇太極只得率軍撤離寧遠。在這場攻堅戰中，皇太極剩下不足5萬人，不得不下令撤軍退回瀋陽。這是袁崇煥坐鎮後明軍對後金的第二次大血戰，獲得了震動關內外的又一次重大勝利，史稱「寧錦大捷」。
寧錦大捷之後，袁崇煥在遼苦心經營，收復被後金佔領的失地達700里，初步穩住了遼東局勢。至此，袁崇煥威名遠揚，後金聞袁崇煥之名也為之膽寒。可悲的是，在論功行賞時，魏忠賢等內官以「籌邊勝算」獲首功，連魏忠賢重孫魏鵬翼年僅4歲，也被封為安平伯。而袁崇煥的戰績不但沒有為他爭得半點榮耀，還成了宦官勒索的把柄。「建功受嫉，無功受祿」——邊關拖欠官兵餉銀已經兩個多月，監軍太監卻要他準備財物孝敬閹黨魏忠賢以祝壽辰，被他婉言拒絕了，但監軍太監卻懷恨不已。1627年7月，袁崇煥在內外猜忌、威逼之下，只能被迫引病辭職。
袁崇煥辭職不到一個月，明熹宗就病死了，他的弟弟朱由檢即位，這就是崇禎帝明思宗。崇禎帝即位後在親定逆案，罷黜閹黨的同時，積極著手除惡治亂，整飭朝綱，讓魏忠賢離京去守鳳陽皇陵，不久又賜縊死。然後又大量起用被黜大臣。袁崇煥這時也被重新起用，被委任為都察院右都御史、管兵部添注左侍郎事。經此革故鼎新，朝政為之一新。本來，這對袁崇煥來說，崇禎帝的新政應該是個機會，而實際上卻是袁崇煥噩夢的開始。
回到京城後，崇禎帝召見袁崇煥，而袁崇煥則以「五年復遼」向崇禎帝表達了自己的意見。為了挽救明軍的頹勢，崇禎帝著令各部保證邊關需要，並賜袁以「尚方寶劍」，以「便宜行事」。
而此時，山海關內外的形勢已發生了重大變化：關外「滿目兵燹，（遼）河西七百里邊城俱為灰燼。關以外，幾成異域矣」；「山海一關，止有殘兵五萬，皆敝衣垢面，一帶城垣，仍低薄塌圮；羅城內，器械填塞莫為驗，而潰兵、逃民聚（於）如斗之城，互煽互驚，立見獸散之勢。」之前一直由明軍把守的錦州、杏山、高橋三城及十三站以東的20多座墩台都被後金摧毀和焚燒。重新上任後的袁崇煥立即選任將官，指揮軍民一一修繕城池，又招募流民充實隊伍，於城頭配置火炮，嚴陣以待來犯之敵。又嚴令各處將官聽從調遣，互相配合，以剋期收復失地。
這時，東江總兵毛文龍，自恃軍功卓著，朝中又有權臣支持，不聽袁崇煥的調度。袁崇煥與其推誠相談，曉以大義，希望他以國家為重，恪守綱紀，共圖大計。但毛文龍剛愎自用，公然提出要以旅順為界，分開節制。袁崇煥見勸誡無果，遂以尚方寶劍，列其十二條罪狀將其斬殺於雙島。在袁崇煥的嚴令整治下，遼東各城得以恢復，形成了堅強的防禦體系，後金不敢再輕易攻掠，邊事一時安寧下來。
在袁崇煥整飭邊關的同時，後金皇太極開始改變策略。崇禎帝即位的第三年（1629年）十月二日，皇太極又率10萬大軍，繞開袁崇煥山海關防線直取北京。僅僅用了3天時間，就攻破了沿途諸多隘口。後金兵勢所向披靡，北京城頓時陷入萬分危急之中。袁崇煥立即從寧遠調集兵力日夜兼程奔赴各處接應，截擊敵兵。袁崇煥自己親率9000名騎兵星夜馳援京師。
驚慌失措的崇禎帝得知袁崇煥援救之後，下令各鎮援兵統歸袁崇煥指揮，並加封袁崇煥太子太保。
由於形勢緊張，袁崇煥不顧朝廷「非禁衛軍不得入京畿」的禁忌，率所帶9000名騎兵從河西務直抵廣渠門外，經一整天浴血奮戰，拚死抵抗，後金軍潰不成軍，退卻30里紮營待援。之後，皇太極又親率勁旅圍攻左安門，袁崇煥率軍與之激戰。對於袁崇煥傑出的軍事才能，皇太極早有領教，見強攻不下，且各地救援之師又不斷赴至京城，他料定只要有袁崇煥指揮，京城必難攻陷，又恐遭圍殲，便假作退兵「議和」之態，暗中卻施行「反間計」。命高鴻中、鮑承先故意將俘獲的太監楊春和李某置於帳中，故意讓其竊聽密議：「今日（皇）上退兵，乃袁（崇煥）巡撫意，不日伊即輸城矣。」之後他們又故意讓太監「逃脫」，太監將假情報奏報崇禎皇帝，崇禎帝竟深信不疑。
剛愎自用的崇禎帝對皇太極的反間計深信不疑，然後以「議餉」為名將袁崇煥投進大牢，並為其羅列了「以袁崇煥付託不孝，專恃欺隱，以市米則資盜，以謀款則斬帥，縱敵人長驅，頓兵不戰，援兵四集，盡行遣散，及兵薄城下，由潛攜喇嘛，堅請入城」等罪名。
1630年8月，正是秋風蕭瑟的時節，崇禎帝不顧文武百官的冒死勸諫，將袁崇煥凌遲處死，其兄弟妻子也被流放3000里。袁崇煥因「通虜謀叛」、「擅主和議」、「專戮大帥」、「市米盜資」等十大罪狀遭「詔磔西市」，伏刑之慘狀，令人毛骨悚然。當時北京的百姓不明真相，受奸臣閹黨宣傳的蒙蔽，都相信袁崇煥通敵賣國的說法而對袁崇煥恨之入骨，「見磔崇煥，時百姓將銀一錢買肉一塊，如手指大，啖之。食時必罵一聲，須臾，崇煥肉悉賣盡」。「皮骨已盡，心肺之間叫聲不絕，半日乃止。再開膛出五臟，截寸而沽。百姓買得，和燒酒生吞，血流齒頰。」袁崇煥就這樣橫遭「千刀萬剮」、慘絕人寰的磔刑。但面對此樁千古奇冤，袁崇煥至死莫辯。
袁崇煥與岳飛一樣，是中國歷史上死得最悲慘的抗金名將。岳飛在抗金前線被南宋高宗趙構連下十二道金牌召回，讓奸相秦檜以「莫須有」的罪名冤殺於風波亭；袁崇煥千里勤王，擊潰後金圍攻京城之後，被崇禎皇帝以「通敵叛國」的罪名逮捕下獄，並以磔刑處死，後世稱之為「節比文山（文天祥），冤同武穆（岳飛）」。
從後金建立以來的歷次南侵來看，袁崇煥是唯一能夠抵擋和屢敗後金大軍、捍衛邊關的傑出將帥，可惜崇禎帝自毀長城。《明史·袁崇煥傳》謂：「自崇煥死，邊事益無人，明亡征決矣。」
袁崇煥以「通敵叛國」的罪名被處死後，「賣國賊」這個罪名讓他整整背了153年。直到清乾隆四十七年（1782年），乾隆帝弘歷披閱《明史》時發現袁崇煥的冤案，感慨「袁崇煥督師薊遼，雖與我朝尷尬，但尚能忠於所事，彼時主暗政昏，不能罄其忱悃，致使身罹重辟，深可憫惻。」又閱《清朝實錄》，查出是皇太極通過楊、李二太監使用反間計，借崇禎之手將勁敵袁崇煥除掉的史實。乾隆四十九年（1784年），乾隆帝下詔為袁崇煥平反，案情始末終於真相大白，並「著廣西巡撫查出袁崇煥後裔，量才錄用，以獎忠良」。
很多人對此疑惑不解，他們認為從崇禎帝親政的行為來看，其不愧為明主，對於「反間計」縱然沒有明察秋毫，但還不至於立即誅殺這樣一位戰功赫赫、「進退一身關社稷」的邊關大將吧？實際上，以下兩點原因早已決定了袁崇煥必死的命運：
第一，崇禎帝朱由檢肚量小，且剛愎自用。崇禎帝17歲即位，自小就受筵師講教，才能遠勝其兄朱由校。他誅殺了魏忠賢，清理了一批逆黨，起用了許多賢才都能證明其「英明果斷」。崇禎帝中計，雖不排除這個剛愎自用的君主用人多疑，但查查袁崇煥投身遼戰幾年的光榮歷史，看看眼下千里赴難，出生入死的表現，戳穿「反間計」是不難做到的。崇禎帝殺袁崇煥實際另有原因。