崇祯十三年（1640）三月，清兵至义州，谋犯锦州。总督洪承畴同辽东巡抚方一藻，以及前锋祖大寿、团练吴三桂、分练刘肇基先屯兵锦州松山以待敌，并调山海关总兵官马科率万人前往增援。五月，总督洪承畴出山海关，驻兵宁远。吴三桂、刘肇基出杏山。前锋祖大寿以及副总兵祖泽远在松、杏间遭遇清军，吴三桂被围，刘肇基率部将他救出，损失千人，而所杀伤的清军亦相当。副总兵程继儒临阵胆怯，洪承畴将其斩首，从此军士俱听命效力。
十二月，征宣府总兵杨国柱、大同总兵王朴、密云总兵唐通以及东协总兵曹变蛟、援剿总兵白广恩、山海关总兵马科、辽东总兵吴三桂、王廷臣，凡八总兵，总计兵十三万，马四万，骡一万，皆出关，隶属于洪承畴。当时清兵已下大凌河。祖大寿入锦州拒守，松山、杏山、塔山三城相与为犄角。
崇祯十四年（1641）三月，总督洪承畴、总兵曹变蛟、白广恩及吴三桂、王廷臣等至宁远。洪承畴至松山，见明军将少，兵力不足，难以防御，遂调宣府总兵杨国柱等兵。祖大寿会合诸军击清军于锦州，斩杀清兵三十六人。次日再战，清军被击退。
六月，明军与清兵战于松山石门，双方皆有伤亡，清兵虽未退，但已受挫。这时，在北京的兵部尚书陈新甲屡陈敌情，想分兵几路出战：一路出兵塔山，趋大胜堡，攻清营之西北；一路出兵杏山，抄锦昌而攻其北；一路出兵松山，渡小凌河而攻其东；又正兵出松山而攻其南。朝廷命行营将帅讨论陈新甲的意见。当时洪承畴虽然统率八镇兵马，但只有白广恩、马科、吴三桂三镇敢战，而其他可以合力；若分数路出兵，恐怕寡不敌众。因此洪承畴提出“且战且守”的战略。他说：“长久坚守松、杏，可借以作为军需物资转运之地，况且锦州守御坚固，清兵不易动摇。如果清军过了今秋还不能拿下锦州，就势穷了。这便是可守而后可战的策略。现在兵部讨‘议出战，我怎敢迁延时日？只怕到时转输粮草物资艰难，鞭长莫及。战争的胜败与国体攸关，不如稍稍等待，使清军自困，再进行攻击，才是可行之策。”崇祯帝也认为洪承畴的意见是正确的。
而陈新甲顽固坚持前议。职方郎中张若麒则浮躁而好事，见我军有几次小胜，就说锦州等地之围可以立解，崇祯帝也就命令他留在关外料理。陈新甲又写信给洪承畴说：“近接二协报告，说清兵又想入犯，如果真是这样，则关内外均会受困，势将不可支。督师出关用兵已经有一年多，花费饷银数十万两，而锦州之围未解，内地又受困。此时督师不进山海，则三协虚单，若往辽西，则宝山空虚，这怎能对得起圣上及朝中文武群臣的希望？圣上忧虑，臣僚受辱，督师清夜思之，恐怕也会不安的吧！”洪承畴既被陈新甲所激，又奉密敕恪期进兵。当时，兵部尚书陈新甲又荐前绥德知县马绍愉为兵部职方主事，出关协助谋划；张若麒、马绍愉又都说我军可战。于是洪承畴的策略被否定了。
七月，洪承畴出兵增援锦州，进抵松山。洪承畴夜见清军屯兵于乳峰山之东，遂传令明军中夜登乳峰山之西角。部署略定，清兵大骇。
八月初八日，清兵攻乳峰山西营，明军将其击退，斩六人；再攻，再击退。初九日，明军分两路攻两石门，总兵王朴战败。初十日，明军稍胜清兵，自是清兵不再出战，等待援军的到来。马绍愉向洪承畴建议，宜乘明军之锐出奇制故，这样可以鼓舞锦州明军的士气，不要待援军来后再行动。洪承畴不采纳。长岭山自塔山迤逦至锦州，延至松山城的右边。大同监军张斗对洪承畴说：“应该在长岭山驻守一军，以防止清军抄我后路。”洪承畴亦不听，并且十分生气地说：“我一个十二年的老督师，还不如一个书生知道的多？”
八月辛酉（十八日），清军以三千骑来支援，首先占据长岭山，声言要围困松山城。明军以为诈，按兵不动。清兵则在松山城外挖壕沟，壕沟深八尺，宽一丈多，并且挖了三重壕沟，明军反而被困于内。清兵围困松山城，目的在于分散明军兵力，断明军粮道。乳峰山在锦州城外，而松山又在乳峰外，明军粮饷缺乏，洪承畴对部下说：“清兵新旧相替，轮番攻守。因此我军出战，当速战速决。要命令本部将士奋力战斗。我将亲执桴鼓参战，解围在此一举。”然而诸将却计议回宁远就饷。黄昏，兵部职方郎中张若麒给洪承畴写信说：“我军连胜，今日再战，亦不为难。但松山之粮不足三日，且敌不但围困锦州，而今又围困松山，各帅既有回宁远支粮再战的意见，应该答应。”于是，诸将意见不一，有的主张明日战，有的主张今夕战，有的则主张何时战以后再计议。洪承畴听后，说道：“往时诸君都矢志报效朝廷，现在正是时候。眼下我们粮尽被围，应将当前形势明告吏卒：战也是死，不战也是死；若战或可侥幸于万一。明日望诸君尽力一战。”于是决定明日出战。
但总兵王朴怯战，率先逃走。于是各总兵也争先恐后逃奔。逃走问望见火光，便认为是清军阵地，不敢向前，又转身返回，结果遭清兵伏击，大溃。当夜，吴三桂、王朴、唐通、马科、白广恩、李辅明被清军掩杀，死者不可胜数。总督洪承畴、辽东巡抚丘民仰率将吏入松山城。洪承畴当夜留兵三分之一守城，其余突围冲阵，明军有小胜。清军殊死战，明军又不得入城，移屯海岸，又被海潮所淹，仅两百余人脱险，而只有白广恩回到松山。兵部职方郎中张若麒、兵部职方主事马绍愉获渔船，逃到宁远，上奏朝廷说洪承畴失策，造成此败，企图以此自免，此是后话。
此时曹变蛟于当放夜弃乳峰山寨，率领所部马步兵袭击清兵镶黄旗和正黄旗，直攻清军老营，未能取胜。变蛟也奔还松山。至此，洪承畴的十三万大军，死了五万多人，诸将又纷纷溃遁，只有曹变蛟、王廷臣等率残兵一万余人相从。
清兵围困松山后，清太宗皇太极致书洪承畴劝降。承畴不答。
九月，洪承畴谋突围，悉出城中步骑兵，夜攻镶黄旗骁骑营。及正白、镶白两旗汉军营，皆败，死伤千人。十二月，闻关内援兵三千赴援将至，遂出兵六千，夜攻正红旗护军营、正黄旗蒙古营，结果被矢、炮击毙四百二十人，溃走杏山，半路又遭伏击，死者五百七十余人。败退城下的明兵，又因门闭不得入，三千多人投降了清军。而关内赴援之兵竟驻宁远，不敢前往松山等被围之城。此时的洪承畴欲战则力不支，欲守则兵寡粮尽，欲遁不敢成队而出，只能与曹变蛟、王延臣、巡抚丘民仰等坐困围城之中。
崇祯十五年（1642）二月，松山城守副将夏成德使其弟景海与清兵交通，并以其子舒为质，相约为内应，于是清兵夜间从夏成德所守城堞处树云梯登城，松山城破。洪承畴、丘民仰、曹变蛟、王廷臣等被俘。当时是二月壬戌（二十二日）。皇太极命杀丘民仰、曹变蛟、王廷臣，而押送洪承畴到盛京。
洪承畴被俘之初，与其他被俘明朝将领一样，拒不剃头投降，“只求速死”。当满族官员发怒，举刀要砍他时，洪承畴曾“延颈承刃，终始不屈”。他还曾下决心绝食，“米浆不入口者七日”。
当时的皇太极极雄心勃勃，对于招降明朝官吏十分注意，而明降将都察院参政张存仁对此更为热心。四月一日，张存仁上奏皇太极说：“洪承畴这样的人，不宜久加拘禁，应令其剃发，降于我朝，然后酌加应用。这样做的结果，会使明朝皇帝闻之寒心，其朝廷大臣闻之夺气。”他还建议，对投降后的洪承畴“恩养不宜薄”。皇太极采纳了张存仁的意见，对洪承畴积极做诱降工作。
皇太极曾多次派不同身份的官员去说服洪承畴降清，但无结果。皇太极甚感焦急与不安。有一天，皇太极派范文程去说降。范文程来到洪承畴的住所后，先不说降清的事，只是随意漫谈，内容很广，涉及古今人事。谈话问，忽然从梁间落下一些灰尘，掉在洪承畴的衣服上，洪承畴便赶快将其拂去。这次谈话结束后，范文程立刻向皇太极报告说：“洪承畴绝不想死。他对衣服尚且这样珍惜，何况生命呢？”皇太极听了十分高兴，于是，便亲自去看望洪承畴，并把自己身着的貂裘脱下送给他，说：“先生难道不冷吗？”洪承畴对着貂裘凝神很久，十分感叹地说：“真命世之主也！”立即跪地叩头，向皇太极请降。
洪承畴的投降，使得皇太极异常高兴，立即对其大加赏赐，并设酒陈百戏庆祝。当时，也有一些缺乏远见的清朝将领对此不理解，非常不满地说：“皇上为什么如此重待洪承畴呢？”皇太极反问他们说：“我们栉风沐雨几十年，究竟为了什么呢？”诸将回答说：“为得中原。”皇太极笑着说：“譬如走路，我们都是盲人，现在得到了一位向导，怎能不令人高兴呢？”