皇太极见强攻不下，各地勤王之师又不断赴至京城，料定只要有袁崇焕指挥，京城必难攻陷，又恐遭围歼，便假作退兵“议和”之态，暗中却施行“反间计”，命高鸿中、鲍承先故意将俘获的太监杨春和李某置于帐中，故意让其窃听密议：“今日(皇)上退兵，乃袁(崇焕)巡抚意，不日伊即输城矣。”之后让太监“逃脱”，太监将假情报奏报崇祯皇帝，崇祯帝竟深信不疑。

十二月初一，崇祯帝以“议饷”为名，召袁崇焕、满桂、黑云龙等于宫中平台。指责袁崇焕“擅杀毛文龙”、“致敌兵犯阙”等事，将袁崇焕逮捕投入锦衣卫大牢。命总兵满桂总理关、宁兵马，祖大寿、黑云龙与马士龙等抗敌立功。关宁军闻讯哗然，“宣读圣谕，三军放声大哭”，祖大寿愤然而领兵出京。十六日，皇太极得知袁崇焕下狱，便率大军回师卢沟桥，明副将申甫率6000兵士抵抗，被后金军全歼。第二日，后金兵加强攻势，与明军激战于永定门，后金兵大噪齐进，突破栅栏，攻至城门。明军守城的4位总兵，满桂、孙祖寿战死，黑云龙、麻登云被擒。参将、游击等30多员战将阵亡，京城危在旦夕，江山社稷处于生死存亡关头。

此时，身在狱中的袁崇焕闻讯，毅然抛下个人荣辱安危，写信给祖大寿晓以得害，要其以民族大义为重，回救京师。兵部差人从狱中取得袁崇焕手书，使臣执书追到山海关外，祖大寿下马捧手书泣读，三军皆哭，遂领关宁铁骑回京，与后金军展开十数次激战，连连重创后金军。崇祯三年(公元1630年)正月，后金兵连遭重创，已无力围攻北京，皇太极只得撤兵返回沈阳。回师途中，后金军大肆抢掠，攻占了永平、滦州、迁安、遵化四城，并留军驻守各城。二月，加封祖大寿为太子太保。五月，祖大寿率军西进滦州，与后金军激战4昼夜，收复滦州，又一鼓作气，收复永平、迁安、遵化诸城。七月，朝廷再加封祖大寿为太傅，荫指挥同知。明军抗击后金大军付出惨重代价，保卫京师之战取得了“胜利”。

由此，一方面可以看出，崇祯继续重用反出京城的袁崇焕手下大将祖大寿，说明他对袁崇焕“通敌叛国”一说并不是很相信；但另一方面，古来就是“飞鸟尽，良弓藏；狡兔死，走狗烹；敌国灭，谋臣死”，祖大寿的连连报捷，却使崇祯认为抗击后金并非只有袁崇焕一人，诛杀袁崇焕的阴暗心理已向胆边膨胀。