二十一日，后金军主力再次开始攻击，黑云鹤再次出战，他拿着大刀叫道：“谁敢与我一战。”后金军中驰出一员将，上前一箭射中黑云鹤颈部，然后一刀将他斩于城下，后金兵大声叫好，五万兵将小小的西平堡团团围住，水泄不通。
李永芳让一个使者，举着旗来到城下，李永芳自己站在旗下想劝降罗一贯：“我知道罗将军是个好汉子，大明无道，将军无法得伸大志，快投降吧，大金能够充分发挥将军的神勇，在下愿与将军共享富贵！”
守西平堡的副总兵罗一贯大骂：“逆贼！朝廷何曾亏待你，为什么要叛变？你难道不知道我们西平堡内个个都是忠臣义士吗？你以为每个人都象你一样剃发弃祖吗？你死子有何面目去见你的祖先？”他也举起一面旗，挥舞着招呼李永芳投降，喊道：“逆贼李永芳快降，免你一死！”
李永芳大怒，下令攻城，做炮灰的汉军开始推着战车、云梯、铁钩等向城堡扑来。城中大炮响了，虽然是实心弹，但架不住汉军人多呀，炮弹落地向前翻滚，将前进路上的汉军一扫五六个才停下来，因为人多，所以可以说是弹无虚发。没有在炮弹的轨迹上的汉军靠近城墙后，火铳声又开始响起，大肆地收割汉军的生命。
在大炮和火铳的双重打击下，城外堆积的尸体越积越高，几乎可以与城墙相平。而战车和云梯总是刚搭在城墙上就被摧毁，很多汉军根本不敢靠近，打得最激烈的时候，眼看有三次将要破城，却又三次又被打退。激战中，一矢飞来，正射中罗一贯的一只眼睛，难忍的疼痛使他丧失指挥的能力，但兵士们仍然各自为战。火药已用完，矢石也用尽，但援兵还没有到。中午时，后金军在火炮轰击停止后，终于用战车一拥而上，将城攻破了。
罗一贯和都司陈尚仁、王崇信一起自刎殉国，守城的三千明兵全部被歼，全城被血洗一空。
收到西平堡的求援后，熊廷弼立即发令箭督王化贞去援西平，王化贞令刘渠尽撤镇武堡的士兵前去解围。他还听信心腹孙得功的主意，尽发广宁兵，以孙得功为先锋，与祖大寿一起会同守御闾阳驿的祁秉忠所部，共三万余人，欲解西平堡之围。
西平堡刚被攻破，援军即已到达。后金兵连清理战果的时间都没有，急忙开始布阵攻击。孙得功让刘渠带着部下直冲进去，自己则躲在后阵，等刘渠刚和后金军接触，他立刻带人往后逃，边逃边叫：“建奴势大，败了，快逃呀。”游击祖大寿和副将鲍承先也紧跟着往后逃，于是后阵一哄而散。
正在交战的刘渠听得阵后喧哗，不明所以。部下告诉他：“后面的兵士逃走了。”他心下大乱，胡乱抵抗一下，也带兵后逃。后金军紧追不舍，在沙岭将明军围了起来，象砍瓜切菜一样大肆屠杀。
刘渠的马蹶倒，把他掀翻在地，被后金兵杀死。祁秉忠身中二刀三矢，幸被家丁救起，扶上马，冲出重围，行至中途，伤重而死。镇武堡副将刘征在重围中冲杀，中箭落马。刘式章身中一箭，从臀部穿过，把他钉于马鞍之上。明军约三万人，死于沙岭。
祖大寿一路飞奔，一溜烟地跑到觉华岛才停下来。孙得功得王化贞命令，劝降李永芳，却不料反被李永芳劝降了。他逃回广宁城后，让他的手下到处散布说：“敌兵快到广宁城了！”人们更加慌乱，街市喧嚣，城门紧闭，不少士兵自城墙缒下逃命，很快广宁几乎成了一座空城。孙得功和他的党羽一面煽惑人心；一面封闭府库及火药库，准备迎接努尔哈赤进城。