戰役過程
遼瀋被後金攻占後，明廷再次起用熊廷弼為兵部尚書兼左副都御史，駐山海關經略遼東軍務，又以王化貞為右僉都御史。巡撫王化貞和經略熊廷弼不和，熊廷弼議用“三方布置策”，率五千兵馬守右屯，化貞自領十三萬軍駐守廣寧城，以降將李永芳作為內應，孫得功做先鋒，調出廣寧（今遼寧北鎮）、閭陽的守兵去攻打後金軍隊，祖大壽率領會合明將祁秉忠進戰，熊廷弼派部將劉渠支援，雙方戰於平陽橋（今遼寧大虎山南八家子附近）。孫得功和參將鮑承甫一交鋒即行逃亡，劉渠、祁秉忠戰死，祖大壽敗走覺華島（今菊花島），西平堡守將羅一貫殞國，至此明軍全軍覆沒。
王化貞不戰而逃
此時廣寧守軍譁變，王化貞這時還在牙帳中整理文書，參將江朝棟等排闥而入，大喊：“事急矣，請公速走”。王化貞放棄廣寧逃亡，途中在大凌河遇到熊廷弼，化貞大哭，熊廷弼既笑且憤，質問王化貞：“六萬眾，一舉蕩平竟何如？”王化貞羞愧難當，化貞提議收集殘兵力守寧遠及前屯。廷弼卻說：“嘻，已晚，惟護潰民入關可耳。”“乃以己所將五千人授化貞為殿，盡焚積聚。二十六日，偕初命護潰民入關。”兵備道參政高邦佐獨自赴松山（遼寧錦縣松山鄉），長嘆：“不能存廣寧，何顏入關！”遂自縊死。
明軍不戰而退
二十三日廣寧尚未完全失守之際，熊廷弼竟未率軍入城進行殊死戰，盡守土之責，只是消極退至山海關；輕棄廣寧，乃至輕棄關外全部土地，種下日後被閹黨斬殺之口實。最後明軍只得退至山海關，沿途饑民哀號，哭聲震野，接著王化貞也退入關內。不久孫得功開門投降努爾哈赤，努爾哈赤一度因勝利過於簡單而懷疑是否中計，不敢進入廣寧城內。後金占領廣寧，並接連攻陷義州、平陽橋、西興堡、錦州、鐵場、大凌河、錦安、右屯衛、團山、鎮寧、鎮遠、鎮安、鎮靜、鎮邊、大清堡、大康堡、鎮武堡、壯鎮堡、閭陽驛、十三山驛、小凌河、松山、杏山、牽馬嶺、戚家堡、正安、錦昌、中安、鎮彝、大靜、大寧、大平、大安、大定、大茂、大勝、大鎮、大福、大興、盤山驛、鄂拓堡、白土廠、塔山堡、中安堡、雙台堡等40餘座城堡。努爾哈赤下令把遼河以西的百姓，驅趕到遼河迤東盡行屠戳，慘絕人寰。天啟五年（1625年，天命十年）八月，熊廷弼以“失陷廣寧罪”遭處死棄市，傳首九邊。魏忠賢雖對王化貞百般袒護，但由於罪行確鑿，遲至崇禎五年（1632年）處死。
戰役結果
廣寧之戰後，明朝喪失了整個遼東。王化貞既失遼東，張鶴鳴懼罪，自請經略遼東，二十餘日後，以病告老還鄉。明廷再遣任命宣府巡撫解經邦為兵部右侍郎兼都察院右僉都御史經略，解經邦三次上疏，力辭重任，最後被朝廷“革職為民，永不敘用”，熹宗再命王在晉經略遼東，在晉亦辭，不準，令其“刻期就道”，王在晉遂前往山海關。
明軍失敗原因
1、經撫不和，造成指揮中心的分裂，正確的戰略主張得不到實施。
2、王化貞不知兵而指揮兵，他寄希望於蒙古的四十萬鐵騎，實際上林丹汗只出了一萬餘人，這也可能是林丹汗最大的能力了。他將寶押在了忠心耿耿於努爾哈赤的降將李永芳身上，但卻被人家策反了自己的心腹。他的一舉蕩平之策完全是不顧現實的蠻幹。
3、努爾哈赤的軍事才能再次得到了充分發揮，上兵伐謀，兵法講不戰而屈人之兵上之上也。用間當是伐謀的一種，。努爾哈赤善用間，這次在廣寧之戰中又一次套用成功，策反了王化貞的心腹愛將孫得功。孫得功的倒戈在廣寧之戰中起到了至關重要的作用，平陽橋之戰明軍的慘敗完全是孫得功導演的，努爾哈赤沒用一兵一卒，和平進入廣寧又完全是孫得功運籌的結果。
後金攻克廣寧的意義
1、切斷了與遼西比鄰的蒙古各部和明朝的聯繫，達 到了爭取蒙古的目的。史載：廣寧被攻陷後，“蒙古厄魯特部十七貝勒來歸。上宴勞之，授職有差，喀爾喀五部同來歸。”
2、掠取了大量的糧食，僅右衛屯，即熊廷弼駐紮之處便有糧草50萬石，正是這批糧草幫助努爾哈赤渡過了一場可怕的經濟危機。至於珍珠財寶報掠更是無計其數，戰爭始終是後金政權獲得財富的重要手段，廣寧之戰，後金國的奴隸主們的腰包更加鼓起來了。
3、斬斷左臂之戰。繼王化貞之後任遼東經略的王在晉對廣寧淪陷痛心疾首，他說：“東事一坏於清撫，二坏於開鐵，三坏於遼瀋，四坏於廣寧。初壞為危局，再壞為敗局，三壞為殘局，至於四壞，則棄全遼而無局。退縮山海，再無可退。
4、明朝向來將遼東比作京師左臂，廣寧一失， 左臂徹底被斬斷，明在遼東統治的基本結束，大明江山已不再是一個完整之軀。而後金政權將實力範圍推到了遼西，斷絕了大部分遼南漢人復辟的幻想，對穩定後金政權起到了非常重要的作用。
