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。[2][10-11]
再次降清
1639年（明崇祯十二年，清崇德四年）农历二月，皇太极再次进攻明朝，以武英郡王阿济格为前锋，亲自督军包围松山。明朝崇祯帝下召命令祖大寿前去支援松山，祖大寿刚刚行军，清军就到了，于是祖大寿去宁远驻守。
皇太极派遣使者去锦州告诉祖大寿的妻子，叫她以利害诱导祖大寿投降。祖大寿选蒙古、汉族兵各三百，命令祖克勇及副将杨震、徐昌永等取道边外进取锦州，到乌欣河口；清军将领阿尔萨兰以满、蒙兵一百六十人与明军交战，清军胜，斩明军八十四人，得马一百五十匹。
皇太极下令停止进攻松山，后金军返回盛京（今辽宁沈阳）。于是祖大寿又进入锦州驻守。
1640年（明崇祯十三年，清崇德五年）农历五月，皇太极到义州视察，蒙古苏班岱等请求归降，皇太极命济尔哈朗等率军一千五百人前去迎接。祖大寿得知清军人少，命令游击戴明与松山总兵吴三桂、杏山总兵刘周智合兵七千人出击，却被济尔哈朗打败。
于是皇太极命多尔衮、济尔哈朗等带兵轮番攻锦州。1641年（明崇祯十四年，清崇德六年）农历三月，皇太极再次发兵围攻锦州。明蓟辽总督洪承畴率吴三桂等八总兵领兵十三万来援，驻扎在松山。皇太极亲率军队切断明军粮道，明军大乱。清军趁势掩杀，总督洪承畴等被围于松山。
1642年（明崇祯十五年，清崇德七年）农历二月，松山城破，洪承畴被俘之后解送盛京（今辽宁沈阳），洪承畴投降清朝。
1642年（明崇祯十五年，清崇德七年）农历三月初，被围困了整整一年的锦州粮绝援尽，城中杀人相食的惨状再度重演。于是祖大寿在三月初八亲率部众开城出降。
捷报传到盛京，皇太极大喜过望，命人立刻将祖大寿送到盛京。当祖大寿跪倒在崇政殿时，皇太极走下宝座，亲自将他扶起，好言抚慰：“你上次背叛我是为了你的主子，为了你的妻子儿女和宗族。我曾经对大臣们说过，祖大寿一定不能死，如果以后再次投降，我也决不会杀他。事情过去就过去了，只要以后能够尽心尽力地侍奉我就可以了。”
祖大寿被授予汉军正黄旗总兵的职位。塔山、杏山也相继落入清军之手。山海关外，仅存宁远一座孤城。祖大寿的外甥吴三桂既是明军事重镇宁远总兵，又是辽东提督，统率关外明军。皇太极让祖大寿写信招降吴三桂，吴三桂回信拒绝。[2]
因病去世
1644年（清顺治元年）农历九月，爱新觉罗·福临在辅政大臣济尔哈朗的护送下，从盛京（今辽宁沈阳）抵达北京，祖大寿跟随入关。
1656年（顺治十三年），祖大寿在病死于北京祖家街的府宅。[2]
皇太极：“能久守者，读书明理之效。”[12]
石廷柱：“第明国京都，倚祖大寿为保障。”[13]
夏允彝：“大寿家富而勇，曾犯法，几被戮于承宗，赖崇焕力救，故相得甚欢。及为大帅，子弟皆贵为刘帅，家丁皆夷人、辽人，多善战。都下擅归，以崇焕下狱激之使然。而其母痛责之，其妻故妾也，亦持之甚坚，故仍为国用。永平恢复、锦州力守，皆有功。但围既久，粮已竭，而援兵不起，遂以城降，而身自逃归。或云已输诚于东夷，已谓吾归即举八城尽降，故东夷纵之。然归而即为国固守，虽其子在虏中不之顾也，亦非有意负国者。力守松山、杏〔山〕，与洪承畴被围年余，力竭而陷，遂致失节。”[14]
梁启超：“祖氏兄弟，大寿、大弼、大乐以督师裨将，遵其方略，犹能为睢阳之守着岁余，非洪承畴之降，锦州固未易下也。”[15]
蔡东藩：”献城卖国卖友。“[16]
佚名：“一代名将，据关外，收关内，堪称往复有忠义；两朝贰臣，悖前主，负后主，真个里外不是人。”[17]
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