此时的北京已经入冬，寒风凛冽，严峻的战争形势，更为环境增添了几分肃杀之色。而就在袁崇焕和祖大寿二人研究下一步作战方案时，袁崇焕却突然被崇祯帝逮捕入狱并定了死罪。
袁崇焕被定罪的时候，祖大寿就在旁边，当他得知一直以忠勇闻名关内外的袁督师被说成了女真方面的间谍，自己心理上一时间有些难以接受，而崇祯帝变脸之快，更让他感到不寒而栗，为了防止自己也身遭不测，祖大寿和副将何可纲率领部众拔营东归。
这不啻一场兵变。
在东归辽西老根据地后不久，祖大寿收到了接替蓟辽督师职位的孙承宗带来的一封袁崇焕的绝笔。袁崇焕在信中安慰祖大寿不要挂念自己，而应继续矢志报国。当祖大寿想到袁崇焕此时已含冤而死的结局，不禁泪如雨下，写下了“但见袁公终不见，暗垂珠泪负兴亡”的诗句。

为什么袁崇焕的死会成为祖大寿的意难平？因为正是袁崇焕，让一度在明朝边军中默默无闻的祖大寿成长为独当一面的高级将领，而关外的散兵走卒经过袁崇焕等明廷“守辽派”的锤炼，也不再是和后金作战就一触即溃的乌合之众，而是威震辽河流域的“关宁铁骑”
所谓关宁铁骑，顾名思义，指的是从山海关到宁远一带的明朝军事力量，大致覆盖了今天的辽西走廊。“关宁铁骑”的提法，据说最早出自明朝遗民计六奇所撰写的《明季北略》一书，其中计六奇夸赞吴三桂手下有“‘关宁铁骑’数千，皆敢战，建州为之惧”。不过讽刺的是，吴三桂率领的这支军队后来投降了清朝，从山海关一路打到了缅甸，为祖源“建州”的清朝定鼎中原立下了汗马功劳。另外，如果细究这支武装的历史，“关宁铁骑”显然也非始于吴三桂，而应当追溯到吴三桂的舅舅祖大寿身上。
祖大寿出身将门，其父亲祖承训是明朝“宁远伯”李成梁的爱将，李成梁在明朝隆庆和万历年间，凭借其战功威震关外，他的子侄和义子们几乎垄断了辽东半岛所有的军政要职。但后来李成梁被言官弹劾，隐退到北京，他的长子李如松壮年殉国，继任其军职的李如柏则稍显无能，在明军讨伐努尔哈赤的萨尔浒之战中故意逗留不进，导致其他几路明军遭遇灭顶之灾。此后努尔哈赤乘胜进军，血洗李成梁老家铁岭，李成梁家族败落了，而祖大寿和他的族人没能及时去填补李成梁家族败落出现的权力真空，而是继续随波逐流，投靠到辽东巡抚王化贞的手下，做了他的中军。

对于后金版图的迅速扩张，王化贞没有积极应对，结果广宁很快和辽阳、沈阳等城一样被八旗兵攻占。在混战中，祖大寿等人侥幸逃脱，带着族人和家丁撤到了辽西的觉华岛上。
觉华岛是明朝重要的后勤补给基地，与辽西重镇宁远互为犄角，相对易于防守。祖大寿趁机在这里集结旧部，恢复元气。祖大寿在饮食、住所和武器装备上格外优遇自己的族子和家丁（很多是义子），以他们为基础，组建起一支“祖家军”。后来，明廷也意识到团结祖大寿的重要性，于是派明监军御史方震孺专门渡海到觉华岛上，劝说祖大寿率旧部到宁远驻扎。
然而，广宁丢失后，关外明军士气低沉，明朝的兵部尚书高第更是打算破罐破摔，把整个辽西也丢给后金占领。就在这个危急关头，宁远道的袁崇焕与祖大寿走到了一起。袁崇焕觉得辽西不可轻易拱手让人，应当“以辽人守辽土”，团结祖大寿这样的地方势族，祖大寿自然也不愿轻易背井离乡。二人一拍即合，成为“关宁铁骑”的先声。

当然，“关宁铁骑”绝不止祖大寿一军。在袁崇焕加固宁远防御工事的同时，他也得到了以孙承宗为首的明朝内部“守辽派”的大力支持。孙承宗的支持绝非口头说说，而是把自己很多得力的旧部介绍给了袁崇焕，比如来自宣府大同的猛将满桂，后来，袁崇焕还结识了同样骁勇善战的陕西人赵率教。尽管他们并非辽东本地人，但由于在孙承宗督师辽东期间曾驻守关外，积累了丰富的对抗后金的作战经验，因此也成为“关宁铁骑”的重要组成部分。
此时的努尔哈赤还不知道袁崇焕等人的同仇敌忾，当他按照惯例，让步兵推着楯车前驱，掩护八旗精锐靠近宁远城墙时，袁崇焕收集的十一尊葡萄牙重炮狠狠击碎了八旗军战无不胜的神话。此战后金军损失惨重，死伤者据说超过万人。在攻城战中，侥幸靠近宁远西南侧城垣的八旗兵也被祖大寿统军击溃。宁远之战让处于人生低谷的祖大寿恢复了信心，看到了希望。
宁远之战后不久，努尔哈赤病逝，四贝勒皇太极继承了后金汗位。皇太极继位不久，便打算通过夺取辽西重镇宁远和锦州来树立威信。结果，此战中八旗兵不但被锦州的炮火杀伤许多，其后方还受到了祖大寿率领的骑兵集团的威胁。
眼看锦州固若金汤，八旗兵斗志低沉，皇太极只能悻悻而归。

宁远和锦州防御战的胜利让“关宁铁骑”威名大振，但是这一军事集团内部的将领间却滋生出嫌隙，满桂抱怨赵率教救援自己不积极，经过朝廷人事调动离开了关外，到宣府大同去做总兵，而赵率教则被调往山海关担任总兵。祖大寿因为和袁崇焕相处投缘，势力迅速扩张，不但其兄弟祖大乐、义子祖可法、张存仁等人都当上了参将或游击，连他的妹夫吴襄也被提拔为宁远的总兵官，而吴襄正是吴三桂的父亲。
祖大寿家族的势力不断上升，大有当年李成梁家族的声势，然而，皇太极绕道蒙古，由喜峰口突入关内攻打北京城，搅乱了袁崇焕和祖大寿布防的节奏。
皇太极的八旗主力进入关内后，迅速血洗了遵化，关内的异动让山海关总兵赵率教大惊，忙统领四千精锐前往驰援。行军途中，赵率教统领下的“关宁铁骑”准备和驻守三屯营的朱国彦一军合力抵挡渗透入关的后金军，但朱国彦却怀疑赵率教等人的调动未经许可，动机不纯，拒绝合作。眼看局势危急，赵率教只能继续前往遵化，结果，赵率教一军正巧撞入了皇太极的包围圈，几乎全军覆没，赵率教自己也中箭身死。
事情远没有结束，赵率教死后，得到消息入关勤王的袁崇焕一军吸取了他的教训，赶在皇太极前抵达北京城郊，并于德胜门外和后金军爆发激战。从大同赶来的满桂一军也加入作战中，暂时挫败了皇太极的兵锋。
然而，袁崇焕和他的关宁铁骑并不知道，北京城内现在议论纷纷，都觉得是袁崇焕和他的部下把敌人引了过来，不然皇太极为何来得如此快？联系往事，崇祯帝对袁崇焕的疑心越来越大，原来一年前，袁崇焕先斩后奏，未经自己许可就处决了明将毛文龙。现在朝廷内不少官员发现机会难得，纷纷落井下石，攻击袁崇焕和外敌勾结。最终，袁崇焕被崇祯帝剥夺兵权下狱处死，而祖大寿和他的部下在残酷的现实打击下，意识到：“以（袁）督师之忠尚不能自免，我辈在此何为？”纷纷拔营东撤。

崇祯帝知道祖大寿一军撤离京郊后，并没有意识到自己的错误，而是把希望都寄托在了与祖大寿一样同为边镇总兵官的满桂身上。崇祯帝和他身边的臣子认为，八旗兵撤退是个将其一网打尽的好机会，于是督促满桂主动出击，但满桂经验丰富，他凭直觉认为后金军来者不善，自己的部下连日作战，疲劳不堪，已经是强弩之末，所以想婉言推辞。
可是，袁崇焕被处死后的残酷现实，让满桂不得不出城扎营，结果很快被皇太极杀了个回马枪，满桂自己也战死在永定门外。
就这样，昔日的关宁铁骑在北京保卫战中元气大伤，祖大寿、何可纲、赵率教和满桂四个“擎天柱石”一下子去了两个。连清代的《明史》编修者也不得不慨叹：
“率教为将廉勇…与满桂并称良将。二人既殁，益无能办东事者。”

满桂死后，崇祯帝后悔不迭。而皇太极也有些轻敌，他看到明军如此不堪一击，干脆把山海关西南的永平四镇都派兵把守起来，作为后金日后进取关内的据点。这自然是明朝所不能容忍的，不久，接替袁崇焕出镇辽东的老臣孙承宗就指挥明军收复了永平四镇。祖大寿原本不想参与此战，但在孙承宗将袁崇焕的绝笔信交给他后，在昔日情谊的感召下，他最终决定出兵，并趁机于滦州城外截杀了一部分后金兵，勉强算是告慰了赵率教等人的英灵。
明军刚收复了关内的失地，孙承宗就向祖大寿一军下达了新的作战计划。原来，孙承宗为了防止后金在关外继续坐大，决定以攻为守，在锦州以东数十里处的大凌河构筑新的军事据点，作为与后金对峙的缓冲区。为了保证大凌河防御工事修筑的进度，明廷令祖大寿亲自前往监工。
祖大寿不知道，自己这一去，又落入了新的深渊。
祖大寿前往大凌河布置防御，放心不下后方的安全，于是将锦州的防务一并委托给了自己的妹夫吴襄。可当他到达大凌河不久，便落入了皇太极的包围圈中。
这一次的皇太极可谓有备而来，他通过密探的侦察，很快摸清了关外明军的底细，在他看来，“明所恃者，唯祖大寿之兵”。正所谓擒贼先擒王，既然祖大寿是关外明军或者说是“关宁铁骑”的灵魂人物，那只要把这个人争取过来，明朝在关外就没有可以和自己抗衡的力量了。

但是，之前双方在宁远和锦州的交手表明，明军火炮是自己必须解决的难题。因此他安排八旗汉军旗主佟养性建造重炮，并从战场内外广泛搜集明军的炮手或炮具，以进行反制。
功夫不负有心人，在大凌河之战中，八旗兵在本部汉军火炮的掩护下很快夺取了祖大寿的粮仓所在——于子章台。吴襄得知大舅子兼顶头上司身陷险境，连忙和监军张春拼凑了数万步骑兵从锦州出发前往救援。然而，在大凌河外围，吴襄的救援部队落入了八旗兵早已布置好的陷阱中，损失惨重，不但没能救回祖大寿，还暴露了自身的虚弱。而后金军密集的炮火压制，更让吴襄意识到，后金的军事实力已经出现了质的飞跃。
吴襄的败兵仓皇逃回，让困守大凌河孤城的祖大寿更加绝望。祖大寿曾经组织了十几次突围，但均被后金军轻松挡了回来。就在祖大寿进退两难时，皇太极又派人送来了劝其归降的信件，几经权衡后，大凌河城内的守军向后金攻城部队敞开了大门。
祖大寿的投降不是没有遇到阻碍，他的副将、同为“关宁铁骑”骁将的何可纲曾拼命阻拦，但是架不住祖大寿的亲信众多，自己不愿屈从，只能引颈受戮。何可纲死后，祖大寿率领部众与皇太极合为一股。没多久，祖大寿便主动提出回锦州转移家眷，并帮助八旗兵里应外合攻破锦州城防的请求。
对于祖大寿的提议，皇太极并未多疑，毕竟他的义子祖可法和心腹爱将张存仁都在自己这里做人质。可皇太极想错了，祖大寿一去不回头，而他的部众发现自己被祖大寿抛弃后，更是咬牙切齿。
在这件事的处理上，皇太极却显得高明得多。他不但刻意淡化对祖大寿降而复叛一事的评判，还对张存仁等祖大寿旧部格外优待，不仅给他们加官晋爵，还分给其大量仆从与耕牛，为他们安排产业，让张存仁等人死心塌地地效忠于皇太极。昔日的关宁铁骑就此分裂为支持明朝和后金（清）两大阵营。
对于关宁铁骑，皇太极以打击分化为主，但对于祖大寿个人，皇太极还是试图争取，后金在他的治下改国号为清后，皇太极立即着手进一步围困祖大寿所在的锦州城。

锦州被清军包围，祖大寿昔日的旧部、关宁铁骑的新生代将领张存仁提出了自己的看法，他认为围困锦州是长期工作，皇太极应当一边“以屯种为本”，一边不间断地给锦州施加军事压力。而对于反复无常的祖大寿，则应采取“攻心之策”，除了皇太极自己给祖大寿写亲笔信外，清朝方面还需广布间谍，捏造散布明廷与祖大寿相互猜忌、离心离德的信息，使锦州城内人心浮动。
清军攻打锦州，让崇祯帝意识到辽西地区的局势已然到了最危急的时刻，于是，他一方面下令宁远和山海关等处的明军抓紧动员，另一方面则把在陕西镇压农民起义军的洪承畴调任蓟辽总督，并给他加派边镇兵马，连同其之前的本部力量，达到了十三万之众。而此时的吴三桂也接替了父亲吴襄的总兵职位，率领麾下的“关宁铁骑”配合洪承畴方的行动。
洪承畴精通兵法，手下不乏善战之士，此时有了关宁铁骑残余力量的加入，理应该是实力不容小觑，但洪承畴最担心的并非军队的战斗力，而是后勤补给困难的问题。祖大寿担心洪承畴进兵过快，在战斗中被后金击败，也派人告诫其慎重进兵。可是，为了解除锦州之围，也为了减轻财政负担，崇祯帝和兵部尚书陈新甲要求洪承畴尽快结束战斗。无奈之下，洪承畴只能把粮食补给临时安置于笔架山，仅命令将士携带六天的干粮突击锦州外围。在松山，洪承畴的大军与皇太极的部队爆发了激战。
在这场血战中，吴三桂及其亲兵杀死杀伤了不少清军，但是随着明军粮草告罄以及清军分兵包抄其侧翼，军心发生动摇，而洪承畴调任辽西未久，和许多将领缺乏互信，结果正面战场还未见分晓，就有总兵官私自逃亡，其他人不明所以，纷纷溃退，打乱了洪承畴的部署，皇太极则趁势猛攻。
从夜晚到白昼的混战使得吴三桂一军几乎全军覆没，只剩下他自己几经辗转逃回宁远城，身为主帅的洪承畴则被清军堵回松山城。又过了几个月，松山城明军弹尽粮绝，副将夏成德看到大势已去，遂发动兵变，将洪承畴和祖大乐、祖大名等关宁铁骑老将一同献给了皇太极。
洪承畴军事集团的覆灭，彻底打破了祖大寿死守锦州的设想，眼看整个辽西已无成建制的明军力量，祖大寿无可奈何地交出了城池。和之前的大凌河城池一样，锦州也被清军洗劫一空，其军民大多被杀或变成八旗贵族的奴仆。而祖大寿虽然仍被皇太极以礼相待，获封汉军正黄旗总兵，但他的政治生命已然走到了尽头。

曾经由袁崇焕一手培养起来的“关宁铁骑”，先于宁锦之战中建立威名，继而于援救北京的征战中遭遇重大损失，之后的大凌河之战又让“关宁铁骑”发生实质性分裂。而洪承畴军事集团的瓦解以及祖大寿的归降，则宣告忠于明廷的“关宁铁骑”已成为历史。