就在黄台吉同其他女真亲贵召开军事会议调整对遵化城的作战计划时，莽古尔泰正端坐在三屯营西面峪撤退下来的军民前往三屯营，然后主持三屯营的防务。
刘元虽然在路上接到了罗文峪守备李思礼撤下来的人马，但是他们在半路上却遇到了后金左路军杨古利所带领的前哨。刘元带着本部300人善后，被杨古利所射伤，最后被部下拼命抢了回来。
对于作为蓟州军事重镇，三屯营城的格局一早就被黄台吉派出的密探所摸清了。莽古尔泰手中就有三屯营的草图，他知道三屯营城内还有一座类似于内城的镇府。即便是外城陷落了，明军还能依靠镇府坚守下去。
对于三屯营这样的坚城，莽古尔泰并不以为可以轻易攻下。倒是可以借着明军这座坚城消耗下两白旗的力量。如果两白旗扛不住攻城的人命消耗，自然就多了一个撤兵的理由，还能顺便破坏黄台吉和两白旗之间的关系。
进攻三屯营的兵力大约五千余人，主要还是两白旗的兵力。莽古尔泰抵达三屯营前线后，下令北面、西面两处同时投入重兵进攻，再无之前两日谨慎持重的用兵态度了。这一天从早上开始奋战到下午，正白旗小卒萨木哈图率先登上了西城墙，坚守了三日的三屯营外城随即被破。
本就负伤的刘元在带人试图夺回失守的西城墙时，被萨木哈图所射死。刘元一死，原本还在作战的明军终于开始逃亡了。夺下了西城墙的后金军打开了西城门，三屯营随即沦陷。躲进镇府内的明军，在罗文峪守备李思礼的率领下，最终向莽古尔泰投降。
这场攻城战的迅速胜利，就连莽古尔泰也深感意外。他没想到，看起来坚固无比的三屯营城，居然连一天都撑不住。当然，两白旗为此还是付出了不少伤亡，大约300多人完全失去了战斗力。
不过攻下三屯营的收获，却足以弥补两白旗的损失，除了城内投降的千余明军，还有将近四千户的军属外。城内各仓库内储备的各种军需物资，足以让后金这次出征的人马维持到明年开春了。
最为重要的是，后金军还从三屯营内缴获了二、三十具佛郎机炮，和数千斤的*和炮弹。有了这些火器，似乎倒是可以试着攻打一番遵化城了。虽然这个结局有些让莽古尔泰失望，但他终于没有忘记自己的身份，还是把这些火器收集起来运回了遵化。
三屯营和遵化之间的铁路，原本是用来运输三屯营附近开发出来的铁矿的，被后金发现了这条铁路的用途之后，倒是成了后金军队用来运输三屯营军需物资的通道。
十一月七日中午，莽古尔泰带着左路军主力返回了遵化城，三屯营失陷的消息也被黄台吉立即派人传播了出去，他还再次向遵化城守将赵率教提出投降的建议。
黄台吉还允诺，只要遵化城向后金投降，后金军队绝不会骚扰城内军民，并且赵率教可以保留原来的官职品阶和自己的军队。
就在七日下午，除了莽古尔泰带着左路军主力和三屯营军民八、九千到达遵化外，关门36部的束不的塔布囊，带着本部落的3千骑兵和其他部族2千骑兵也终于赶到了遵化。
这位关门36部的首领，终于按捺不住黄台吉的写信劝说，和后金军队派人运回沈阳的丁口财物的诱惑，终于选择站在了后金这一边，准备借此机会进入明国内地劫掠一把。
听到束不的塔布囊带兵入关，黄台吉亲自率领女真亲贵出营迎接，给予了这位关门36部首领以极高的礼遇，完全没有责备他当初违背盟约，没有同后金军队一起入关的意思。看到黄台吉平易近人的样子，束不的塔布囊甚为感动，当场就向黄台吉发誓，今后他的部族一定会同后金同进退，不敢再有三心二意之举。