京师戒严，朝廷召洪承畴去保卫京师，曹变蛟和左光先跟随着他，抵达京师周围，崇祯帝派使者前来迎接、慰问，将士们都得到了赏赐。不久，变蛟在浑河作无功，又在太平砦的北面作战，获取了一点战果，等到戒严解除后，变蛟被留下来驻守遵化。他的部下都是陕西兵，因想念家乡，有许多逃亡的人，变蛟对他们加以追捕、斩杀后军心才安定下来。这时张献忠、罗汝才投降以后又再次反叛，陕西又开战了，总督郑崇俭请求让变蛟率兵西去，皇上不答应，任用变蛟当了东协总兵官。
锦州告急，变蛟跟随洪承畴出山海关，驻守宁远。变蛟和援剿总兵官左光先、山海总兵马科、宁远总兵吴三桂、辽东总兵刘肇基在黄土台以及松山、杏山遭遇清军前锋，双方互有伤亡，清军退后驻扎到义州。洪承畴打算让变蛟、左光先、马科的部队进关来养精蓄锐，留吴三桂、刘肇基的部队在松山、杏山之间活动，假装着进攻的样子。后来，又请求解除刘肇基的官职，让王廷臣取代了他，罢免了左光先，以白广恩接替了他，兵部讨论后都同意了他的意见。
然后洪承畴又请求调遣附近的边防部队联合关内外将士十五万人以备防守，洪承畴的意见认为，军队出征军粮也应随行，一定要凑足一年的粮草然后才能讨论增加兵力，皇上认为是这样，就下令有关部门迅速凑齐供给他。明廷召集宣府总兵杨国柱、大同总兵王朴、密云总兵唐通，要他们各自挑选部下的精兵前往增援，同变蛟、马科、白广恩先后出关，加上吴三桂、王廷臣等共八员大将，十三万士兵，马匹四万，一起驻扎在宁远。
洪承畴主张用兵要谨慎稳重，而朝廷的意见认为这么多部队凑来粮饷也不容易，应速战速决，职方郎张若麒前来催促承畴出兵。洪承畴考虑到祖大寿被围困已很长时间了，于是决定立即援救锦州，各军停驻在松山，在西北的山岗上扎了营，多次出战，始终不能解围。
杨国柱战死，山西总兵李辅明取代了他的职务，洪承畴命变蛟在松山的北面、乳峰山的西面共扎下七个军营，周围环绕着长长的战壕。不久，清军援军大规模的赶到，而明军运送粮草的道路又被切断。于是，明军打算突围撤退，但是王朴先趁夜逃走，唐通、马科、吴三桂、白广恩、辅明也相继逃跑了。他们从杏山往南沿着海边，东到塔山，受到清军阻击，淹死在海中的人不计其数。变蛟、王廷臣听说失败的消息后骑马赶来松山，同洪承畴一起牢牢防守。吴三桂、王朴逃出后占据了杏山，过了几天，想回到宁远来，走到高桥遇上了埋伏，大败而归。这次战役，明军先后丧失士兵共五万三千七百多人，从这以后锦州的包围圈更加收紧了，松山又被包围，什么增援部队都没有了。
此时，曹变蛟抱定了必死之心，当晚他尽选军中精壮，入夜后开城直扑清军正黄旗大营，杀死率先阻挡的清佐领彰古力，试图阻击的正黄旗清军无不横尸于明军刀下。变蛟率部在清军中纵横冲突，如入无人之境，最后选定最显眼的一片营帐冲杀过去，而当夜皇太极正在此处策划攻松山事宜。额驸多尔济率亲军前来阻击，随即被明军杀散，内大臣布延和塔瞻相继率部来战，又被击溃；皇太极的护卫们作为捍卫皇太极的最后一道防线拼死冲上，刺伤了变蛟，但明军依旧奋勇向前，势不可挡地将侍卫们砍杀殆尽。以勇毅闻名的固山额真图尔格和弟弟伊尔登、内大臣锡翰、遏必隆等清将见无法以格斗取胜，情急之下占据御营营门拼命放箭，将变蛟射伤。此时，清军已从混乱中反应过来，开始从四面八方向御营聚集，因失血过多几近昏厥的变蛟见突入内营无望，只得率军退回松山。此战后皇太极震怒，各将领皆被处分罚银，加强了御营的防御。
副将夏成德做内应，松山城就此失陷，洪承畴、曹变蛟、王廷臣以及辽东巡抚丘民仰，总兵祖大乐，兵备道张斗、姚恭、王三祯，副将江翥、饶勋、朱文德，以及参将以下共一百多文武官员以及明兵八千余人都被俘虏，清军惨无人道将他们全部就地处死，只有洪承畴与祖大乐没有被杀。
因为援军告绝，锦州城内粮尽，人相食，战守计穷的祖大寿不得已投降了。杏山、塔山也接连失守城内军民全部战死，没有一个人投降，京师受到很大震动。后来，朝廷颁布诏书，赐予殉难的各位大臣以祭奠、安葬，让有关部门为他们建立祠庙，变蛟的妻子请求给予追赠、封荫，朝廷追赠他为荣禄大夫、太子少保，荫封后世子孙为世袭锦衣指挥佥事。