当后金大军兵即将临城下时，为了提振士气，确保辽阳，袁应泰亲自率领侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、朱万良等将领出城迎战后金大军。
但是，沈阳的失陷、接连的失败影响了士气；加之，大部分劲旅已经阵亡，为此，袁应泰迎战后金军，依然是损兵折将，不能遏制后金大军的凌厉攻势。
在双方对抗的过程中，后金的援军越聚越多，军队士气愈加旺盛。相形之下，明军量少力弱，多次交战，大都以失败告终。如果继续与后金军对峙下去，明军将会被围歼。
面对如此不利的局面，别无他方的袁应泰只好率军退入辽阳城中，分派兵将全力防守。明显的劣势，导致明军中的高出、牛维曜、胡嘉栋等官员潜逃而去。这样一来，整个辽阳城更加人心惶惶、混乱失序。
在后金大军的猛烈进攻下，辽阳城险情迭出，“应泰督诸军列楯大战，又败。”袁应泰捉襟见肘，难以应对后金军。不久，后金军在内应的助力下，攻破小西门进入城中，四处烧杀，到处抢掠。
随之，明军溃散亡命，民众奔逃丧命。一时间，整个辽阳城中，火光频现，浓烟滚滚；残虐无情的马蹄声、撕心裂肺的哭喊声交织在一起……
此时，依然坚守在城楼上的袁应泰，无助地看着这一切，内心五味杂陈，悲愤不已：沈阳、辽阳两大要塞相继丧失，如何向民众交代？如何再面见君王？
于是，袁应泰仔细地整理了一下随身携带的上方宝剑和官印，然后自缢而亡。随着袁应泰的壮烈殉国，大明的边关要塞落入后金之手。
鉴于袁应泰的英勇行为，大明朝廷不仅没有追究其兵败之责，而且追赠其为兵部尚书，予以“祭葬”。
主要参考文献：《明史列传第一百四十七》、《罪惟录卷二十五》
