十一月下旬的怀来盆地，寒风呼啸，沙尘漫天。明军主力四万余人在此列阵：京营居中，张之极、王聘率领，结成车阵，弗朗机炮、虎蹲炮架设在车架上，火铳手分列两侧；曹文诏的勇士营六千余人部署在左翼，骑兵列成冲锋阵型；卢象升的天雄军一万余人部署在右翼，依托地形构筑简易工事；曹变蛟的两千利刃营则隐伏在盆地西侧的山林中，等待战机。
皇太极的八万大军也已集结完毕，八旗兵与蒙古骑兵分列阵前，红衣大炮架在阵中，巴牙喇纛兵（护军营）环绕在皇太极中军周围。“明人倚仗火器，我等当发挥骑射优势，冲垮其阵型！”皇太极下令，蒙古骑兵率先发起冲锋，马蹄声如雷鸣般响彻天地。
京营的炮兵早已瞄准，张之极一声令下，弗朗机炮、虎蹲炮同时开火，炮弹呼啸着落入蒙古骑兵阵中，炸起漫天烟尘。蒙古骑兵纷纷倒地，阵型大乱，但仍有部分骑兵突破炮火封锁，逼近明军车阵。火铳手轮番射击，崇祯四式火铳和鲁密铳的枪声此起彼伏，蒙古骑兵成片倒下，剩余者被迫撤退。
皇太极见状，令八旗步兵发起进攻。八旗兵身着棉甲，手持盾牌和弯刀，踏着同伴的尸体向明军车阵逼近。明军的火铳和火炮持续射击，后金兵死伤惨重，但仍悍不畏死，踩着尸体向前冲锋。部分后金白甲兵凭借坚固的防护，冲到车阵前，用弯刀劈开车架，与明军士兵展开白刃战。京营士兵虽缺乏实战经验，但训练有素，结成小队与后金兵拼杀，战场上刀光剑影，喊杀声震天，鲜血浸透了土地。
左翼战场上，曹文诏的勇士营与后金骑兵展开激战。周遇吉右臂缠着绷带，仍挥舞长刀奋勇杀敌，勇士营的军士也是个个争先，奋力拼杀，后金骑兵近战受顿，于是开始和勇士营的骑兵拉开距离，后金骑兵的骑射功夫极为精湛，破甲箭不断射杀明军士兵，勇士营伤亡渐增，阵型开始松动。
右翼的天雄军也遭遇了后金部队的猛攻，卢象升令鸟铳手轮番射击，弗朗机炮持续轰击，后金兵死伤惨重，但仍不断冲锋。一名后金白甲兵突破火力网，冲到卢象升面前，弯刀劈下，卢象升侧身躲闪，拔出佩刀反击，两人缠斗在一起，卢象升虽身负轻伤，却最终斩杀对方。
激战至午后，明军车阵已被撕开数道缺口，后金兵纷纷涌入，京营士兵奋力抵抗，死伤近万。皇太极见状，下令投入精锐的骁骑营：“冲垮明军中军，活捉张之极！”两千余名骁骑营精锐骑兵手持长矛，身披重甲，如一股黑色洪流般向明军中路发起猛攻。
就在这危急时刻，盆地西侧的山林中突然烟尘大作，曹变蛟率领的利刃营骑兵如神兵天降。利刃营士兵个个身披特制重甲，人马皆护，手持集策斋打造的崇祯五式双管手铳，在距离后金中军约三十步时，曹变蛟一声令下：“开火！”两轮齐射，铅弹如暴雨般倾泻而出，皇太极的亲卫巴牙喇纷纷倒地，阵型大乱。
“随我冲！直取虏酋大纛！”曹变蛟挥舞马刀，率领利刃营骑兵冲入后金中军。利刃营骑兵装备精良，战斗力极强，双管手铳在近战中威力巨大，打完即弃，随即拔出马刀与后金兵展开白刃战。巴牙喇是皇太极的亲卫精锐，战斗力凶悍，但面对利刃营的重甲和精湛武艺，渐渐不支。曹变蛟如入无人之境，连斩十余名巴牙喇勇士，直扑皇太极大纛。
皇太极见状大惊，亲自拔刀自卫，身边的贝勒和台吉纷纷上前阻拦。曹变蛟与皇太极的亲卫展开惨烈拼杀，马刀挥舞间，鲜血飞溅，他的重甲上已布满刀痕，却依旧勇猛无比。骁骑营见中军危急，被迫回援，中路的攻势瞬间瓦解。张之极趁机下令京营全线反击，勇士营和天雄军也发起冲锋，明军士气大振，后金兵节节败退。
皇太极见中军被破，骁骑营回援不及，明军全线反击，知道决战已无胜算，果断下令：“全军交替掩护，向张家口堡撤退！”后金兵边战边退，蒙古接应部队及时出现在边墙外，挡住了明军的追击。曹变蛟想率军追击，却被张之极拦下：“虏贼尚有残余兵力，且蒙古兵熟悉地形，不可贸然追击，以免中伏。”
怀来盆地的战场上，尸横遍野，残破的旗帜、丢弃的兵器、烧焦的车辆随处可见，空气中弥漫着浓重的血腥和硝烟味。明军士兵开始清扫战场，救治伤员，掩埋尸体。京营损失近两万，勇士营折损过半，天雄军伤亡三千余人，利刃营也伤亡百余人，但将士们的眼神中不再有恐惧，只有疲惫和坚定。他们正面击败了不可一世的八旗主力，打破了野战后金兵不可战胜的神话。
张家口堡内，后金兵在撤退前纵火焚烧了粮库和兵器库，带走了少量劫掠的物资和数千名俘虏。明军收复张家口后，面对残破的城池，开始着手修复防御设施。宣大防线的边墙、烽燧遭到严重破坏，沿途村镇被焚毁无数，百姓流离失所，景象惨不忍睹。
紫禁城收到怀来大捷的消息后，举国欢腾。朱由检在乾清宫举行庆功宴，嘉奖有功将士：曹变蛟被封为都督佥事依然负责皇帝利刃营的打造，利刃营将士各有封赏；张之极晋京营提督总理京营，王聘升任总兵官；曹文诏、周遇吉、卢象升等人也得到厚赏。同时，朱由检严令兵部、工部加速修复宣大防线，抚恤伤亡将士家属，加紧生产火器和铠甲，整顿边军。
关宁前线，吴三桂率领关宁铁骑击退阿巴泰的部队后，奉命撤回辽西。此次三屯营之战，关宁铁骑伤亡两千余人，但也重创了后金佯攻部队，确保了蓟镇防线的安全。袁崇焕得知怀来大捷的消息，深受鼓舞，更加坚定了“凭坚城、用大炮”的方略，加紧整军备战。
塞外的风雪越来越大，皇太极率领残部撤回沈阳，清点人马，此次南掠损失近三万兵力，其中骁骑营和巴牙喇的伤亡最为惨重，劫掠的物资也因匆忙撤退损失大半。他站在沈阳的城楼上，望着南方的明国疆域，神色凝重：“朱由检非庸主，明军的火器和战力已今非昔比，昔日的轻易劫掠已成往事。”他下令整顿八旗，仿制明军火器，训练新式军队。
崇祯六年的宣大之战，以明军的战略性胜利告终。皇太极的劫掠计划被重创，虽造成宣大地区巨大破坏，但未能达成摧毁宣大防线的核心目标。更重要的是，明军在野战中正面击败了八旗主力，京营的火器优势、勇士营的强悍战力、利刃营的关键突击，证明了明军已有能力与后金部队正面抗衡，极大地增强了明朝军民的信心。
北方的风雪掩盖了战场的尸骸，却掩不住双方厉兵秣马的脚步声。大明虽获得了喘息之机，但内忧外患仍在；后金虽遭遇挫败，却并未元气大伤。这场铁血对决，不是结束，而是新一轮更残酷角逐的开始。崇祯六年的寒冬，注定成为明末历史上一道重要的分水岭，预示着一场更大规模的战争即将来临。