第三师参将把两千士兵分布在铁岭两侧。南坡交给第一营防守，北坡由第二营占据，余下兵力守住桥梁和山腰石墙。多尔衮与倭军同时逼近，明军只要丢掉一处山口，铁岭便会被前后夹穿。
参将派出的求援骑兵赶到阳德时，金应河正在修复粮道。六门轻炮才运过倒塌城门，炮车轮轴已经损坏两根。
“铁岭守军只有两千人，南北两面共有近万敌军。参将请咱们天黑以前赶到南坡，否则他只能毁桥退入山林。”
金应河命士兵卸掉粮车，把驮马全部套到炮架上。“留下一个营守阳德，其余人携带火药和干粮出发。炮车若坏在路上便拆下炮管，二十个人抬也要抬到铁岭。”
海州兵沿山道赶路，沿途遇见大批逃散的朝鲜禁军。部分人愿意带路，部分人藏进村庄。金应河没有停兵收拢，只派军官告知他们前往阳德缴械。
铁岭南坡已经响起枪声。多尔衮派出一千白甲兵试探谷口，又让朝鲜禁军从两侧林地攀爬。第三师枪手守在石墙后面，前排装填完毕便退到坡后，后排接替射击。
八旗兵连续冲过两次，石墙外留下百余具尸体。多尔衮没有继续投入白甲兵，而是把抓来的民夫赶到前面，逼他们搬运木板填平河沟。
参将从山腰看见民夫进入射程，命枪手停止开火。他让朝鲜通译隔着河沟喊话，要求民夫丢下木板趴在原地。
后金军官挥刀砍倒两人，余下民夫仍旧不敢移动。八旗火枪手藏在人群后面推进，距离石墙不到八十步时，数十名民夫忽然扔下木板，顺着河沟向两边逃跑。
第三师枪手重新举枪。藏在人群后的八旗兵失去遮挡，前队很快被击退。几名后金军官还想抓回逃民，也被山腰枪手拦在河沟外面。
北坡战斗更加吃紧。三千倭军携带四门轻炮，抵达以后便朝关墙开火。铁岭北侧石墙年久失修，连续挨了十余发炮弹，墙面出现两处缺口。
第二营营官把装满碎石的木筐推到缺口，又派长枪手守住内侧。倭军火枪兵在林间分散前进，武士则抬着木盾靠近山墙。双方隔着乱石交火，明军弹药消耗很快。
参将无法从南坡抽兵，只能让桥边预备队运送火药。第三批弹药箱送到北坡时，倭军已经占住外侧石台。第二营伤亡超过三百人，营官也被铅弹打伤肩头。
北面倭军再次推来轻炮，准备贴近缺口开火。山道后方却传来号炮，平壤派出的八百骑兵沿咸兴旧路赶到。骑兵副将没有冲击倭军正面，先带人绕向东侧坡地，用火枪攻击炮队后方。
倭军被迫分兵迎战，推到石墙外的轻炮失去保护。第二营冲出缺口，用铁钩拖回两门炮，剩余炮手只能弃械退入林中。
多尔衮从南坡听见北面枪声，知道接应部队未能夺关。他把三千朝鲜禁军推到谷口，要求他们抢在天黑前攻下桥梁。
朝鲜禁军刚在河沟外列阵，队伍后方便出现海州军旗。金应河领兵赶到铁岭南口，六门轻炮被驮马拖得东倒西歪，炮管外面全是泥土。
后金后队调转阵形，准备阻挡海州兵。金应河没有等待炮架修复，直接让士兵把两门炮架在土坡上。炮手用木楔垫住炮尾，朝后金骑兵发射霰弹。
多尔衮原本以为海州兵仍会听从朝鲜王室调令，不愿帮助明军围攻。他派出一名朝鲜军官来到阵前，要求金应河放开南面道路。
“国王已经答应保留后金军队，只要旗主退到咸兴，朝鲜便可避免更多战事。金将军若继续协助明军，汉城百官也不会容你。”
金应河骑马停在炮位后方，没有让使者靠近。“海州百姓被倭军围攻时，多尔衮没有派来一兵一卒。李倧的降表已经送到大明皇帝手里，你还敢拿王命欺骗军中士兵。”
使者取出一块王室腰牌。“这是国王交给多尔衮的通行令，落款只在五日前。金将军若不相信，可以亲自查验。”
金应河让盾手接过腰牌，查看背面刻字以后，直接扔进火盆。“李倧五日前还想放走后金，三日前便向大明献出国印。他的军令保不住你们，海州军也不会给多尔衮让路。”
使者转身逃回后金阵中，金应河随即命轻炮开火。三千海州兵沿官道推进，与铁岭南坡守军形成夹击。被迫攻桥的朝鲜禁军先丢下兵器，成队退到河沟西侧。
多尔衮斩杀两名逃兵，仍旧无法拦住整支队伍。他身边只剩五千余名八旗兵，其中不少人已经失去战马。南面海州兵继续逼近，北面倭军也被明军骑兵拖在山林。
铁岭参将升起红旗，第一营从石墙后发起反攻。明军盾手越过河沟，火枪兵沿两侧高地推进。八旗兵被压在谷地中央，只能向东侧山坡突围。
曹文诏派出的骑兵副将从北坡转向东面，提前占住山路出口。多尔衮亲自带白甲兵冲击骑兵阵地，接连投入数百人仍未打开道路。
天黑以前，金应河的海州兵占住南坡。六门轻炮全部推到山腰，炮口封住谷地。参将派通译进入朝鲜降兵中间，要求他们远离八旗队伍。
三千禁军陆续退到西侧空地，只剩后金兵围着大纛防守。多尔衮命人砍断旗杆，又把各旗号分给数支队伍，试图趁夜分散突围。
东面山林很快出现十余支火把队伍。明军骑兵没有追逐旗号，只守住能够通行战马的两条山路。进入密林的八旗兵失去坐骑，攀过乱石以后又遇到海州枪手。
多尔衮带三百白甲兵换上朝鲜衣甲，混进西侧降兵队伍。他们走到明军查验处时，一名海州军官认出多尔衮坐骑使用的金鞍。
白甲兵抽出藏在衣内的短刀，强行冲击看守队伍。朝鲜降兵受惊后四散逃跑，西侧空地很快乱成一团。多尔衮夺下一匹战马，带亲兵冲向河沟上游。
金应河调转轻炮已经来不及，只能派骑兵追赶。第三师参将也从北坡抽出两百枪手，沿山脊封堵去路。
多尔衮冲出两里以后，前方出现一条被拆毁的木桥。河水不深，河底却布满尖石。白甲兵牵马下水，追兵也从后方赶到。
双方隔着河滩交火，多尔衮身边亲兵接连中弹。他舍弃战马，从对岸岩壁攀上山坡，只带四十余人钻入东侧密林。追兵找到山脚时，林中已经分出数条踩踏痕迹。
铁岭谷地的战斗持续到后半夜。五千余名八旗兵中有三千人被俘，余下人员死伤或逃入山中。三千倭军失去接应目标，退向永兴港途中遭到骑兵追击，只剩千余人登船离开。
金应河派人连夜搜山，第三师则封闭通往咸兴的道路。天亮以后，斥候在东侧密林找到多尔衮丢弃的护腕和半块衣甲，却没有发现尸体。
一名受伤白甲兵撑到被俘以后，才交代多尔衮的去向。
多尔衮没有逃往咸兴，他带残部翻过东侧山岭，正朝汉城方向赶去。