弱残兵，修缮兵器，加强练兵，积级备战。
第二年冬季，李自成攻占陕西，准备取道山西进攻北京，周遇吉与山西巡抚蔡懋德分别布置河防，并向京师求援，但当时北京已无兵可调，仅是象征性地派遣副将熊通率领二千士卒助战，周遇吉留下熊通防守黄河之后，赶赴代州为北京建立阻击防线。
崇祯十七年正月，平阳守将陈尚智投降李自成，劝降熊通，并让他游说周遇吉归降。
周遇吉见到熊通后，怒斥道：“吾受国恩，岂可与你叛逆？！你统兵两千，不去杀贼，为什么反而要做说客？！”
周遇吉怒斩熊通，将首级送往京城，以显示自己效忠明朝的决心。
二月七日，太原沦陷，原任山西巡抚蔡懋德自尽身亡。
李自成在太原休整八天之后，又攻取了忻州，进而急攻代州。周遇吉在代州坚守数天之后，粮尽援绝，率军突围后退保宁武关。
宁武关位于山西中部宁武是由太原北上大同的交通要道，明朝景泰年间建筑关城，与偏关、雁门关一起成为防御鞑靼骑兵的山西三关之一，战略地位极为重要。
奈何周遇吉兵力太少，以山西孤旅是无法与李自成数十万大军相抗衡，代州的失守只是时间问题。宁武关地势险要，而流寇又志在必得，此次战役进行得相当惨烈。
流寇因为在明军火炮猛烈的轰击伤亡较重，曾以“五日不降者屠其城”的宣传攻势希望迫使周遇吉投降，明军火药即将耗尽的时候，一些将领也曾劝说周遇吉改变策略不要一味硬拼，但被“一军皆忠义”的周遇吉断然拒绝。于是在城内设伏，出弱卒诱敌入城，亟下闸杀数千人。
由于周遇吉的顽强抵抗，李自成一度准备放弃攻取宁武关，但他手下的将领们一再坚持，流寇因而再次对宁武关发起了猛攻，在火炮的轰击之下，关城不断坍塌，流寇冲锋的前队战死，后队马上跟进顶替，终于攻破宁武关。
流寇攻入关城之后，周遇吉继续指挥巷战，从战马上摔下来后又徒步奋战不止，在身中数箭被流寇生擒后也仍然破口大骂不愿屈服，流寇将周遇吉悬吊于高竿之上乱箭射死，然后又将尸体肢解。周遇吉的夫人刘氏带领几十名妇女拒守公廨，登上屋顶向流寇放箭，全部被流寇
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