昌元年（1620年）九月，擢升至右佥都御史，代周永春巡抚辽东，一个月后，代熊廷弼经略辽东。袁应泰在辽东扩大边防，收编叛将、叛卒，来投即纳，大将童仲揆、尤世功等非常反对，但袁应泰不听。天启元年（1621年）三月，袁应泰下令打开闸门，把太河水放入护城河，壕沟的内侧排列火炮，严阵以待。努尔哈赤水陆俱进，攻下沈阳，再战又下辽阳，贺世贤、尤世功被乱箭射死，童仲揆等赴援，也战死。袁应泰在辽阳城东北的镇远楼督战，城破之后，举火自焚而亡。所部巡按张铨被俘，不屈而死。