建材短缺時，楊肇基下令拆總兵府樑柱門窗充用，百姓深受觸動，紛紛拆院牆棚屋捐料。
旬日內，三屯營城防初具規模：
城牆修補完好，護城河疏浚蓄水，水關固若金湯，空心敵臺架起火炮，箭樓堆滿滾木礌石，城池重煥防禦銳氣。
皇太極察知楊肇基進駐三屯營，暗生警惕。
此地若為明軍徹底掌控，將會大大牽制永平兵力，使其圖謀切斷山海關與北京糧道的計劃落空。
從細作處得知三屯營守軍困狀，遂親率大軍至三屯營西側，派人勸降，許以藩王厚祿。
楊肇基斬信使、懸頭顱於城門明志，對將領道：吾受皇恩，豈能賣國！今日死戰報陛下！
隨即佈設防線：城外挖壕埋樁，城上部署火銃火炮，水關派精銳駐守。
勸降不成，皇太極令二貝勒阿敏率三千精銳騎兵強攻。
面對強敵，楊肇基沿用延綏抗套寇時的固守待援、伺機反擊戰術，傳令全軍無令不得出戰，以城防工事耗敵 。
後金軍隊先用火炮轟擊城牆，楊肇基令士兵躲入空心敵臺避炮——這正是戚繼光設計的精妙之處，敵臺有效抵禦炮火，明軍傷亡甚微。
炮火停歇後，後金騎兵推雲梯衝鋒，楊肇基一聲令下，明軍登城傾瀉滾木礌石與沸油，後金士兵慘叫跌落，城外屍橫遍野。
阿敏見正面強攻無果，隨即轉攻西水關，試圖切斷城中水源。
楊肇基親率家丁衛隊馳援，手持長槍斬殺三名登關敵兵，指揮士兵用沙袋封堵缺口，激戰竟日終將敵擊退 。
次日，皇太極增兵至五千，用圍三缺一之計圍東、南、西三門，放北門誘明軍突圍。
楊肇基識破詭計，故意在北門佈置弱兵，暗派兩百精銳騎兵伏於城外樹林。
當後金以為明軍將從北門突圍而放鬆警惕時，伏兵突然殺出，與城上守軍形成夾擊，後金大敗。
明軍斬敵百餘、獲戰馬數十，撤回城中。
此戰後，皇太極知三屯營難克，恐被牽制錯失戰機，下令焚城郊房屋撤軍永平。
卻留大量遊騎襲擾三屯營至豐潤之間的補給線，劫掠三屯營的輜重運輸隊。
妄圖依靠遊騎切斷三屯營糧道，使其不戰自潰。
楊肇基多次派家丁哨騎驅趕，奈何後金遊騎精銳、機動性強，明軍哨騎勝少敗多。
如此相持十餘日後，三屯營糧僅夠十日，火藥將盡，危在旦夕。
不能坐以待斃！
楊肇基派長子楊御蕃、四子楊御華各率精銳家丁五十騎，分赴山海關孫承宗與薊州馬世龍求援。
叮囑：若能搬兵，三屯營可保；被俘則寧死不降！
當晚，二人帶著家丁人銜枚、馬裹蹄，趁夜衝破後金封鎖，成功突圍。
孫承宗接信後，立即令祖大壽選五百精騎，撥三百石糧、千斤火藥，由祖寬率領星夜馳援。
：難兩陷卻，兵援萬五擁坐雖龍世馬的州薊而
；落低氣士憊疲卒士後援馳途長且且，混揮指、雜複分軍王勤下麾其
；心信戰野騎金後同乏缺隊部合混或兵步為多軍王勤鎮各，迴迂機和襲突戰野長擅，兵騎銳是皆騎遊金後
；責追敗戰恐將諸，圍氛的罪問即敗戰末明因更
。用無援救，城孤乃營屯三言直至甚，兵出不拒由為擊伏防力兵保以皆
！力出願必軍西，援求道轉華楊令可，整休鄉良在軍北西今。高甚威，好領將軍西與，西陝鎮年昔帥楊：策獻爺師，時措無龍世馬當正
。鄉良赴趕華楊命刻即，開頓塞茅龍世馬
