面对后金的包围，祖大寿几次派兵出击，企图撕开缺口，打通城内外通道，杀出一条血路，但都没有成功。皇太极随即下令用火炮轰击城外的台堡。在猛烈的轰击之下，大凌河城外围的台堡一一落入敌手，包围圈不断压缩。

当大凌河被围的消息传来后，督师孙承宗、巡抚丘禾嘉立即组织援军，急赴前线增援，以解大凌河之围。孙承宗、丘禾嘉亲自率军，与新升任的总兵官吴襄、宋伟合兵，约四万之众，由山海关向锦州进发。

当援军前锋近万名兵马赶到松山附近时，被阿济格率领的千余名满蒙骑兵拦截击败，退回锦州城内。九月初，另一支大队援兵赶到锦州城外，在小凌河对岸扎营时，皇太极亲率精兵偷袭大营，打得明军措手不及。

九月二十四日，援军主力，包括百余名战将和四万步骑，由监军、太仆寺少卿张春率领，渡过小凌河。三天以后的清晨，当这支兵马乘夜色推进到离大凌河只有十五里的长山时，才被敌兵的前哨发觉。皇太极迅速集合满、蒙、汉军两万人迎敌。当时明军的数量是后金军的一倍。

当后金军赶到阵前，见张春已将大军摆成防御阵形，大炮鸟铳四面排列。皇太极先令骑兵分两翼正面冲击，右翼直扑张春的大营，但因炮火猛烈，伤亡惨重，未能破阵。皇太极随即加入右翼，重整队伍，并令佟养性的炮兵移至明军阵地东侧，用火炮和火箭猛轰张春大营，明军伤亡大增，阵脚开始动摇，张春大营开始溃乱。

而就在这关键时刻，由吴襄、参将桑噶尔寨统率的另一支援军开始溃退。

张春在重创之下，仍收拾残卒，进行抵抗。当时正逢天起大风，张春便下令纵火攻击佟养性的炮兵阵地。没想到大火起后不久，风向逆转，反而扑向自己的阵地，引起阵脚大乱。皇太极乘机率骑兵冲击，张春的大营便一败涂地了。

三路兵马中的宋伟一营，在力战之后，也因势单力孤，只得撤退溃逃。至此，大军全线崩溃。

只此长山一役，明军四万之众被皇太极的两万人马击溃，损失惨重。包括张春在内的三十余位高级将领被俘，多名明军将领战死，兵马损失不计其数。更严重的是，明军再也没有力量组织任何援救了……

皇太极在击败援军之后，加紧对祖大寿的劝降工作。在此以前，皇太极已在军事压力之余，多次劝说过祖大寿。至此，皇太极再次派人带着二十三位降清文武官员的招降书，劝说祖大寿投降，却再次被祖大寿断然拒绝。

随着冬季的来临，大凌河城内的粮食供应越来越成问题，平民百姓首当其冲，饿死者无数。而兵士不久也无粮可食，先是杀马充饥，后开始有计划地杀人充饥。这些情况被掌握后，皇太极更加紧了劝降攻势。祖大寿至此已经走投无路，坚守到底，誓为大明效忠的信心开始动摇……

经过反复协商，祖大寿决定投降。十月二十八日，反对投降的副将何可刚被推出城门，在后金兵营前示众以后，被斩首。

何可刚临死之前，神色不变，不出一言，含笑而死。其尸体被拖入城门后，饥饿至极的饥民一拥而上，争夺其肉而食。

斩杀何可刚后，祖大寿派出四名副将、二名游击出城，代表他与其他三十七位命官，与皇太极和众贝勒对天盟誓。盟毕，祖大寿正式献城投降。此时的大凌河城，在被围八十余天后，原有的三万余军民，只剩下一万人左右。

祖大寿正式投降后，受到了皇太极超规格的接见。诸贝勒出营一里迎接，到达御营时，皇太极出幄相迎，并免其跪拜，而行抱见礼。在并行进幄后，皇太极让祖大寿坐在自己身边，亲以金杯赐酒，又赐御服黑狐帽、貂裘、白马等物。开宴入席时，祖大寿坐在汗兄代善之下，享受了最高规格的礼遇。

投降后的第二天，祖大寿依照原先的约定，赴锦州进行策反。皇太极对他并不是没有顾虑，但考虑到如果祖大寿守诺且能策反锦州，确实是一本万利之事。而且当时祖大寿的子侄也留在后金营中，实际上近似人质，所以皇太极仍决定冒一次险。