孔有德包围掖县两个多月，李应元一直在请命攻城，孔有德一直没答应，还在等待着孙元化上书的招安事宜。但是他不知道的是，孙元化上书的诏书被巡按王道纯藏匿，根本没有递上去。
四月一日，刘宇烈率领蓟门、密云等地的援兵和义勇乡兵，凡马步兵二万五千人，加之崇祯又调遣来的6门红衣大炮和在周边又召集的登州总兵吴安邦、通州总兵杨御蕃等在城外沙河集结，和孔有德叛军隔河对峙。又命人向城中送信，要求配合。
十五日晚，刘宇烈又派人到掖县，要求十六日出城两面夹击叛军。
第二天，刘宇烈下令进攻。城外炮火连天，谢琏率领着两千人，徐从治也率领着自己兵马，出城支援，张扬亦被谢琏要求出城夹击叛军。面对命令，张扬无法反抗，只能率自己五个白人队，又拉上五门火炮从东门出。
沙河在掖县以西40里，战斗发生后，孔有德调集大部分部队，又以火炮众多，占据着很大的优势。
张扬部五百人都是步卒，要到达主战场，急行军也要一个多时辰。张扬不愿意连续赶路40里，去支援正面战场。东门外五里有孔有德的三个营寨，用火炮轰开木制围栏，营寨中不多的兵马根本挡不住夏河军得排枪射击，攻破营寨后放火烧毁，把三个营寨都毁掉后，便率军回城。
刘宇烈兵马杂揉、纪律不明、指挥混乱，辎重又被孔有德焚毁。终在沙河兵溃，巡抚徐从治亦死于炮下，谢琏亦被俘虏，出城的士兵都没有能回来。
经此一战，孔有德俘获大量人员、火器，实力进一步增大。刘宇烈收拢各部残军继续在沙河屯驻。
“大元帅，朝廷兵马已被杀破了胆，那夏河军还在城中安坐，还望允许下官攻城，已报杀父之仇。”在获胜后的第二天，李应元又来到帅帐中，请求攻城。
孔有德经过此战，自己被招安的希望越来越小了，李应元又总是来请战。便对李应元说道：“你父与我同乡，情同手足，今朝廷大军已败，无力再攻，便允你一次。”
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