防御阵形，大炮鸟铳四面排列。皇太极先令骑兵分击，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。
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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。
然而，祖大寿回到锦州后，并没有发动策反，他推说人手不够，时机未到，皇太极这次是看走了眼，祖大寿是诈降
长山、大凌河之败，使孙承宗不败的神话破灭。朝廷中的不满和攻击，犹如急风骤雨般向孙承宗压来。而朱斌当初提议的决不赞成修筑大凌河，更被当成了他又一次的英明远见！当然，这一点在崇祯皇帝面前，是没有任何人胆敢提起的！
而对于皇太极来说最大的收获，却并不是击败了明军，或者是试验了后金自己的火炮。最让他高兴的，是借着大凌河之战的机会，解决了一直让他头疼的同为四大和硕贝勒的莽古尔泰。
七月十三日这一天，皇太极正站在城西山岗向城中观望，思考破敌之策。时众贝勒在侧，一个意想不到的事情突然发生了。莽古尔泰上前一步说：“昨天这一战，我部损失严重，我旗护军有随阿山出哨的，有附于额驸达尔汉的，是否现在把他们归还我？”
皇太极本来就在削弱他的权利，当然不肯答应。
生性暴躁，头脑简单的莽古尔泰，在和皇太极的争吵之下，居然将腰间佩刀拔出了五寸，汗王面前拔刀，何等严重？这就满清历史上著名的“御前露刃”事件。
击败张春的援军后，十月二十三日，众贝勒召开会议，一致决定免去莽古尔泰大贝勒之职，夺五牛录，罚银一万两。其后慑于皇太极威严，大贝勒代善也于其后主动让位。
从后金天聪元年即位到天聪五年年末，皇太极终于实现了朝纲独断南面独尊的愿望……
皇太极稳固了自己的地位，而曾经强盛一时的大明王朝却正在向着一个无底的深渊走进……
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