建材短缺时，杨肇基下令拆总兵府梁柱门窗充用，百姓深受触动，纷纷拆院墙棚屋捐料。
旬日内，三屯营城防初具规模：
城墙修补完好，护城河疏浚蓄水，水关固若金汤，空心敌台架起火炮，箭楼堆满滚木礌石，城池重焕防御锐气。
皇太极察知杨肇基进驻三屯营，暗生警惕。
此地若为明军彻底掌控，将会大大牵制永平兵力，使其图谋切断山海关与北京粮道的计划落空。
从细作处得知三屯营守军困状，遂亲率大军至三屯营西侧，派人劝降，许以藩王厚禄。
杨肇基斩信使、悬头颅于城门明志，对将领道：吾受皇恩，岂能卖国！今日死战报陛下！
随即布设防线：城外挖壕埋桩，城上部署火铳火炮，水关派精锐驻守。
劝降不成，皇太极令二贝勒阿敏率三千精锐骑兵强攻。
面对强敌，杨肇基沿用延绥抗套寇时的固守待援、伺机反击战术，传令全军无令不得出战，以城防工事耗敌 。
后金军队先用火炮轰击城墙，杨肇基令士兵躲入空心敌台避炮——这正是戚继光设计的精妙之处，敌台有效抵御炮火，明军伤亡甚微。
炮火停歇后，后金骑兵推云梯冲锋，杨肇基一声令下，明军登城倾泻滚木礌石与沸油，后金士兵惨叫跌落，城外尸横遍野。
阿敏见正面强攻无果，随即转攻西水关，试图切断城中水源。
杨肇基亲率家丁卫队驰援，手持长枪斩杀三名登关敌兵，指挥士兵用沙袋封堵缺口，激战竟日终将敌击退 。
次日，皇太极增兵至五千，用围三缺一之计围东、南、西三门，放北门诱明军突围。
杨肇基识破诡计，故意在北门布置弱兵，暗派两百精锐骑兵伏于城外树林。
当后金以为明军将从北门突围而放松警惕时，伏兵突然杀出，与城上守军形成夹击，后金大败。
明军斩敌百余、获战马数十，撤回城中。
此战后，皇太极知三屯营难克，恐被牵制错失战机，下令焚城郊房屋撤军永平。
却留大量游骑袭扰三屯营至丰润之间的补给线，劫掠三屯营的辎重运输队。
妄图依靠游骑切断三屯营粮道，使其不战自溃。
杨肇基多次派家丁哨骑驱赶，奈何后金游骑精锐、机动性强，明军哨骑胜少败多。
如此相持十余日后，三屯营粮仅够十日，火药将尽，危在旦夕。
不能坐以待毙！
杨肇基派长子杨御蕃、四子杨御华各率精锐家丁五十骑，分赴山海关孙承宗与蓟州马世龙求援。
叮嘱：若能搬兵，三屯营可保；被俘则宁死不降！
当晚，二人带着家丁人衔枚、马裹蹄，趁夜冲破后金封锁，成功突围。
孙承宗接信后，立即令祖大寿选五百精骑，拨三百石粮、千斤火药，由祖宽率领星夜驰援。
而蓟州的马世龙虽坐拥五万援兵，却陷入两难：
其麾下勤王军成分复杂、指挥混乱，且且长途驰援后士卒疲惫士气低落；
后金游骑皆是精锐骑兵，擅长野战突袭和机动迂回，各镇勤王军多为步兵或混合部队缺乏同后金精骑野战信心；
更因明末战败即问罪的氛围，诸将恐战败追责；
皆以保兵力防伏击为由拒不出兵，甚至直言三屯营乃孤城，救援无用。
正当马世龙无措时，师爷献策：杨帅昔年镇陕西，与西军将领交好，威望甚高。今西北军在良乡休整，可令杨御华转道求援，西军必愿出力！
马世龙茅塞顿开，即刻命杨御华赶赴良乡。