怀宗用金瓶抓阄的方法，得到钱龙锡、李标、来宗道、杨景辰、周道登、刘鸿训六人之后，让他们同时入阁。总以为是授之天命，人心所向，哪知来宗道、杨景辰二人却是魏忠贤的余党。杨景辰曾经是《三朝要典》的次要负责人。刚刚上任，朝中大臣就已经议论纷纷，轮番参劾。怀宗这才将来、杨二人罢官。刘鸿训向来憎恨阉党，依次斥责杨维垣、李恒茂、杨所修、孙之獬、阮大铖等人，一时间人心大快。只是阉党的余孽还没有铲除干净，他们对刘鸿训恨之入骨。正巧惠安伯张庆臻总督京兵大营，任命的敕书中有“兼管巡捕大营”一句话，提督郑其心说这违反旧例。怀宗也说敕书中本来没有这句话，就到偏殿亲自去问内阁大臣，阁臣们也都说不知道。御史刘玉言说：“这件事情由刘鸿训主使，兵部尚书王在晋以及中书舍人田佳璧共同舞弊。”怀宗便将刘鸿训免职，谪戍代州，王在晋削官，田佳璧下狱。内阁大臣一下子免了三个，少不了又要推选。朝班列出吏部侍郎成基命、礼部侍郎钱谦益等十一人的名字，一同呈入。礼部尚书温体仁与侍郎周延儒一心指望着成为宰辅，偏偏这次推选，二人均不在列，当下义愤填膺，立即将推选的十一个人吹毛求疵了一番。怀宗起了疑心，于是将这件事情搁置下来。
崇祯二年五月初一，钦天监预报有日食，谁知却失验，怀宗严责钦天监官。原来，中国历代参照的还是相传了数千年的唐尧旧制，汉、唐的时候，岁时、节气以及日蚀、月蚀，已经相差了几个时辰，甚至相差一两天。后来，元太史郭守敬参考很多时历书籍，编造了《授时新历》，推算得比较精准，但中间的几个刻数，还是有些错误，所以郭守敬的时候，就已经有日月当食不食、不当食反食的情况。一帮吹牛拍马的元朝大臣，说日月当食不食，是皇帝、皇后昭德回天，反而非常庆幸。明太祖崛兴之后，太史刘基呈上的《大统历》，仍然是郭守敬的成书，以讹传讹，自然有误。夏官正戈丰据实相奏，将责任全部推卸给前人。吏部左侍郎徐光启呈上历法修正的十件事情，并请求参照西法，举荐南京太仆寺少卿李之藻以及西洋人龙华民、邓玉函等人。怀宗立即批准，命李之藻以及龙华民、邓玉函入京，升徐光启为礼部尚书，监督时历局。中国任用西洋人，并采用西洋新法，就是从这里开始的。
自从元代统一以来，东西两大洋之间的沟通日益增多。欧洲人大多有冒险精神，常常航海东来。葡萄牙人首先发现印度航路，从南洋的马六甲海峡，搭乘海船来到中国。出没于海疆之间，传教通商。明世宗四十三年的时候，葡萄牙人竟在澳门建起了商馆，创业经营，大有乐不思蜀的气象。在广东官吏的一番交涉之下，葡萄牙人才答应每年出两万两租金。此后荷兰人、西班牙人、英吉利人接踵而至。后来意大利人利玛窦也航海来到中国。他留居中国数年，通晓中国的语言文字，在沿海各口，广传耶稣教福音。徐光启生长在上海，与利玛窦见面后，见他不但倡导博爱、平等的教义，说起天文历数也是样样精通。徐光启非常钦佩，常常与他通宵达旦地研究学术。当时的人将他视为痴呆，徐光启却全然不顾，竟把西方的学术研究通了一大半。
徐光启入任侍郎之后，邀请利玛窦入京。利玛窦因为已经年迈，不愿任职，就举荐他的朋友龙华民、邓玉函，修缮时历。李之藻也热心于西学，所以一并举荐。徐光启更是舍弃自己的家宅，将它变为教堂。没过多久又保举西人汤若望、罗雅谷等人同入时历局，翻译天文、算术方面的书籍。制造了推测天文的仪器，分别叫做象限悬仪、平面悬仪、象限立运仪、象限座正仪、象限大仪、三直游仪，都非常实用。徐光启还写了《日躔历指》、《测天约说》、《日躔表》、《割圜八线表》、《黄道升度》、《黄赤道距度表》、《通率表》等书。他翻译的《几何原本》一书至今流传不绝，被推为名著。利玛窦于崇祯三年病死在京师，赐葬阜成门外。墓前十六个字的铭词，前两句是“美日寸影，勿尔空过”，后两句是“所见万品，与时并流”至今尚存。徐光启在崇祯六年病逝，清朝入关之后，汤若望等人仍然在清廷做钦天监。
袁崇焕奉命赶赴辽东，修城建堡，置戍屯田，规划了一年多，颇有成效。只是毛文龙镇守东江势大官尊，免不得跋扈难驯，不服袁崇焕的统辖。袁崇焕早就想除掉毛文龙，正巧毛文龙亲自前来，袁崇焕以礼相待，毛文龙也不谦让，居然分庭抗礼，与袁崇焕对坐谈天。袁崇焕约略问了几语，就让他回去了。后来，袁崇焕以阅兵为名，径直来到东江，在双岛停泊战船。毛文龙按照惯例迎接，袁崇焕格外谦和，留他在船中宴饮。二人说了很久，才谈到军务。袁崇焕准备改编营制，另设监司。毛文龙却认为东江岛本是个荒凉之地，全靠自己一人招集流民、苦心经营才有今天的局面。这次凭空来了个袁崇焕，硬要插手东江岛，他哪肯低头忍受？毛文龙当即将前因后果叙述一番，说是岛中的百姓全是恩义相连，不便另行编制。袁崇焕微笑着说：“我也知道您劳苦功高，但如今内忧外患，朝中大臣又不肯谅解你我的苦衷。我是奉皇上的特遣，不得已才来到这里。为你打算，我觉得你不如辞官还乡，乐得清闲几年呢。”毛文龙说道：“我也有这个意思。只是满洲的事情还没有办好，眼前知道边务的人又很少。照我看来，平了满洲，夺得朝鲜，那时功成名立，再归去也不迟啊。”说到这里，竟然放声大笑起来。袁崇焕无话可说，勉勉强强与他喝了几杯，就命左右收拾残肴，毛文龙起身告辞。临别时，袁崇焕与他约好，在山上校阅将士。毛文龙点头而去。
第二天一早，袁崇焕就召集将校，授予密计，趁着晨光熹微，率众上山，然后派人去催促毛文龙。毛文龙接到催请，只好起身盥洗。吃过早点，催请的差人已经来过三五次了。毛文龙当下穿好衣冠，匆匆出署，带着护兵，来到山脚。只见这位袁督帅早已立马等着了，毛文龙正想上前参见，却被他握住了手。袁崇焕笑容可掬地说：“不必多礼，一起上山吧！”毛文龙跟着袁崇焕拾级而上。护军要想随行，却被督师手下的将士拦住。袁崇焕与毛文龙到了半山，突然对毛文龙说：“我明天就要回去，今日是特来向您辞行的。您杀敌平寇，屡建奇功，理应受我一拜。”说着，拜了下去，吓得毛文龙慌忙答礼。袁崇焕与他携手同行，到了军帐中，袁崇焕忽然变了脸色大喝：“谢参将何在？”参将谢尚政应声而出。袁崇焕将毛文龙一推，说：“我将此人交给你了。”这时谢尚政背后，又跳出好几个健将，一起把毛文龙拿下。毛文龙大声喊道：“我有什么罪？”袁崇焕说：“你的罪不下十种。本部院奉命到此，改编营制，你抗命不遵。违背我是小事，你心中早无圣上，就此一项，也足以斩首。”毛文龙此时已似砧上的肉，釜中的鱼，只好叩头求饶。袁崇焕道：“不必说了。”接着望着北面，三跪九叩首，请出上方宝剑，命人将毛文龙推出去斩首。不到一会儿工夫，毛文龙的首级就献了上来。袁崇焕整辔下山，对毛文龙的部下说：“罪在毛文龙一人，其他人无罪。”然后传唤毛文龙的儿子毛承祚前来，当面对他说：“你父亲背叛朝廷，所以才把他正法。你本来没有罪，好好地镇守在这里。我为公事斩了你的父亲，私下里却很想念他。你如果能立功的话，我一定会极力保举你。”说到这里，召过副将陈继盛，令他辅佐毛承祚镇守东江，并到毛文龙的灵前哭奠了一番，才下船回去。奏报传到朝廷，怀宗不免惊疑。但想到毛文龙已死，袁崇焕又是刚刚上任，只好作罢。
哪知毛文龙有两个义子，一个叫孔有德，一个叫耿仲明，二人深受毛文龙的恩惠，见他死得不明不白，就想报仇。于是把所有“忠君爱国”的思想全部抛去，擅自和满洲通好，表示愿做前驱，除掉袁崇焕。满洲太宗自然恩准，但仍然让他们留在东江，表面上顺应明朝，暗地里帮助满洲，牵制袁崇焕。满洲太宗自己率领大军，用蒙古喀尔沁的布尔噶图作为向导，攻入龙井关，然后分两路进兵，一路攻打洪山口，一路攻打大安口，全部马到成功。满洲大军长驱并进，浩浩****地杀到遵化。
明朝廷听到警报，马上从山海关调兵支援遵化。袁崇焕奉命出师，派遣总兵赵率教为先锋，自己率领全军作为后应。赵率教连夜疾行，到了遵化东边的三屯营，看见满洲军士把三屯营围得水泄不通。他不顾利害，不辨众寡，单凭着一腔忠愤杀入满兵阵中。满洲兵闪出路来让他入阵，然后两路兵围拢过来，把赵率教困在中心。赵率教左冲右突，杀死很多满洲兵。可满兵越来越多，赵率教的部下却越战越少，满以为三屯营中的将士能出兵相救。谁知营中的守将朱国彦担心满洲兵混入，竟然紧闭营门，拒绝援应赵率教。赵率教杀到营前，已是声嘶力竭，呼门不应，进退无路，不禁向西大喊一声：“臣力竭了！”接着举剑往颈上一横，当即殉国，全军覆没。满洲兵乘胜扑营，朱国彦知道守不住，与妻子张氏悬梁自尽。
三屯营失守后，遵化被围攻。巡抚王元雅率领保定推官李献明、永平推官何天球、遵化知县徐泽、前任知县武起潜等人临城死守，支撑了好几天。怎奈满洲兵势大，援兵久久不至，一个小小的孤城，哪里能保守得住？只好眼睁睁看着城池被陷，众位将士相继阵亡。明朝廷听说遵化失守，惊慌得不得了。吏部侍郎成基命奏请召用孙承宗督兵御敌。怀宗立即同意，马上征孙承宗为兵部尚书，兼中极殿大学士，到通州督察大军。并任成基命为礼部尚书，兼东阁大学士，参与机务。孙承宗奉诏后，立即率领二十七名骑兵驰入通州城，与保定巡抚解经传、总兵杨国栋等人修缮城池，共同抵御。当时勤王诏书已经下达，宣府、大同等处各自派兵前来支援通州。可见到满兵，各路兵马统统畏缩不前，甚至半途溃散。满洲太宗连破蓟州、三河、顺义，直扑大明京城。幸亏袁崇焕派总兵满桂前来支援，在德胜门扎下大营。这满桂也是一员猛将，见满洲兵到来，就率领五千骑兵与满洲兵交锋，战了半天，不分胜负。城上的守将发炮助威，满洲兵霎时间被轰退，满桂手下的士兵也被炮弹轰死好几百名，满桂也负伤收兵。怀宗派太监送去羔羊美酒，慰劳满桂，让他入城休息。
此际听说袁崇焕亲率大军，带着总兵祖大寿、何可纲等人前来保卫京城，怀宗大喜，立即召见。袁崇焕请求入城屯兵，怀宗没有答应。袁崇焕只好在沙河门外驻扎下来，与满洲兵遥遥相对，并暗中在营外布下伏兵，防备满洲兵劫营。当天夜里，满洲兵果然前来偷袭，多亏袁崇焕事先作了安排，满洲兵这才无功而返。怀宗又命袁崇焕统领各路援兵。袁崇焕料定满洲兵远道而来，不能久持，故意按兵不动，养足锐气，等到满洲兵退回的时候，再从后面追击。他审时度势，选中都城东南角上的一处险地，据险为营，竖起栅栏，与满洲兵久久相持起来。满洲太宗率兵来争，袁崇焕坚壁以待，任他如何鼓噪，只管让将士们射箭放炮，挡住满洲兵，却不出营一步。满洲兵离开后，过了一天又来攻营，袁崇焕仍然用老办法对付，满洲兵只得再次退去。如此相持了好几天，袁崇焕忽然接到圣旨，命他入朝进见。袁崇焕应旨前去，谁知怀宗竟然换了一副脸色，责怪他擅杀毛文龙，援兵逗留。袁崇焕正想争辩，却被怀宗喝住，命锦衣卫将他绑起来，押入大牢。