不久，崇祯皇帝命令祖大寿与山西总兵马世龙、山东总兵杨绍基会师，率领副将祖大乐、祖可法、张弘谟、刘天禄、曹恭诚等进攻滦州，攻取滦州之后，进逼永平，贝勒阿敏等丢弃四处城池领兵返回后金。于是，祖大寿又回到锦州前线防守。但祖大寿从不只身离开军营，生怕叫东厂的特务抓了去。[9]
大凌河之战
1631年（崇祯四年）农历七月，祖大寿奉命于大凌河筑城保卫锦州，在他修了不到半个月，城墙雉堞还没修完时，皇太极大军便兵临城下，将大凌河城包围。祖大寿只好关闭城门，仓促应战。
城中粮草仅够几天之用，围了不几天城中就断粮了。城中将士无不惊恐万状，祖大寿作过几次试探性的突围，都被金兵杀了回去。无奈之下，只好坐困愁城，盼着援兵。
皇太极在围困大凌河城十天后，便开始了对祖大寿的劝降工作。但祖大寿不为所动，对皇太极根本不予理采。
皇太极为了进一步消耗城中的有生力量，搞了一次假增援，祖大寿盼望援军心切，急忙率军出城相迎，欲前后夹攻，实现突围，结果上了大当，被杀得大败，损失十分惨重，祖大寿再也不敢出城应战。
皇太极于1631年（崇祯四年）农历十月七日和十月九日这两天先后致书祖大寿、何可纲、副将张存仁，劝其速降。但仍遭到祖大寿的拒绝。
于是皇太极又亲自写信给祖大寿，他解释说：“过去杀辽民确有其事，我深为懊悔，我们早就不那样做了。至于永平屠城那是二贝勒阿敏所为，他因此也受到了严惩，希望你不要存此偏见。但祖大寿等还是不信。
明军几路救兵四次援救，都被后金军击败。祖大寿的多次突围也没有成功。大凌河城被围了三个月，城内的粮食吃完了就杀马吃，马吃没了，就杀人相食。大凌河城百姓被充作军粮杀尽。
1631年（崇祯四年）农历十月初七，皇太极再次致书祖大寿，又派降将姜新赴城中面谈。祖大寿派出一位叫韩栋的将领到金营中谈判。农历十月二十五日，祖大寿最后下了决心，他邀后金将领石廷柱进城商议降金事宜，当晚祖可法、祖泽润、刘天禄、张存仁等四人随石廷柱一同到了金兵大营，皇太极亲自迎接，四人跪倒便拜。皇太极急忙上前一步搀扶，以女真人最高贵的礼节抱腰礼相见。然后设盛宴款待，四人被请至座中。
1631年（崇祯四年）农历十月二十八日，祖大寿杀死宁死不降的何可纲，大开城门，率众将来到金营。皇太极与代善、莽古尔泰及众贝勒众大臣，一齐隆重迎接祖大寿一行。后双方登坛发誓祭天，盟誓祭天毕，皇太极携祖大寿手进入大帐，为祖大寿设宴庆贺。[2]
逃回锦州
投降后的祖大寿向皇太极建言：自己妻子儿女均在锦州城里，趁锦州不知自己已经投降，愿带一支兵马去锦州，在城里当内应，夺取锦州城。皇太极同意放祖大寿去锦州城。
祖大寿一回到锦州城就组织防御，抗击清军。辽东巡抚丘禾嘉向朝廷参奏祖大寿率队献城投降，崇祯皇帝不仅没有降罪，反而提升祖大寿为左都督，领锦州。
崇祯皇帝三次下诏，命祖大寿进京觐见，祖大寿都借故推辞，始终坚守在锦州城里。
后金方面，皇太极三番五次派密使前来，提醒祖大寿不要忘记以前的约定，即刻动手夺下锦州城。祖大寿以各种理由搪塞，并且多次与清兵激战。皇太极对留在后金军营中的祖大寿之子祖可法等人，一直以礼相待，并且频繁给祖大寿写信。
1638年（明崇祯十一年，清崇德三年）农历十月，皇太极亲自率领部队进攻明朝，率领郑亲王济尔哈朗、豫亲王多铎出宁远、锦州大道；睿亲王多尔衮为左翼，自青山关入；贝勒岳讬为右翼，自墙子岭入。祖大寿在中后所（今辽宁绥中县城）屯兵，领兵偷袭多铎，多铎战败。第二天，多铎与济尔哈朗合兵出战，祖大寿收兵回中后所。不久，皇太极亲自来到中后所，派使者给祖大寿带话：“自大凌河一别后已过数年。我不畏艰苦而来，就是希望与将军见上一面。至于将军是归降我大清还是仍留在大明，绝不勉强，将军自己决定去留。上次是我释放了将军，如借会见之名诱捕将军，我还凭什么取信天下之人呢？这些年将军虽然屡次率队与我军发生冲突，但我知道你是在执行命令，尽自己的职责，我不会放在心上的，请将军不要怀疑。”
第二天，皇太极又命令释放抓获的明军俘虏，并让他带信给祖大寿。信上说：“我在大凌河释放了你，我的大臣都说我看不清人。现在，将军应该出城与我相见，证明我没有看错你。如果将军不放心，我们各带一两名亲信随从，在两营的中间处会晤。我这么做，只是为了自我解嘲罢了，同时也让将军的子侄和大凌河的将帅都知道将军是履行诺言的人。”
祖大寿却始终没有露面。
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