因为勤政爱民，治水有方，他被升为工部主事，后又被提升为兵部武选司郎中，在任期内裁汰打发了数百个假冒世职的人。不久外放为布政司参议，任淮徐兵备道。当时因为小冰河期的原因，山东发生大饥荒（见亓诗教条），袁应泰也积极参与救灾，他设粥厂哺流民，缮城浚濠，修先圣庙，饥者尽得食。由于救灾资金不足，于是就挪用了额外税及漕折马价数万金，先后发放给灾民。结果事后户部弹劾他“擅移官廪”，当时已因功晋升他为按察副使，于是朝廷觉得他这么做也是事出有因，就让他“借口有病，暂时回家修养”。
久之，起河南右参政，以按察使为永平兵备道。应泰于是在那里招兵买马，休整要塞，打造战舰，采办火药军械，十分得力。舆论认为他很是精明能干。连熊廷弼也认为他是后勤方面的专家的，对他非常依赖。
泰昌元年九月，东林当权，擢升为右佥都御史，代周永春巡抚辽东。逾月，熊廷弼倒台，擢兵部右侍郎兼前职，代廷弼为经略，而以薛国用为巡抚。应泰受事，即刑白马祀神，誓以身委辽。疏言：“臣愿与辽相终始，更愿文武诸臣无怀二心，与臣相终始。有托故谢事者，罪无赦。”熹宗优诏褒答，赐尚方剑。乃戮贪将何光先，汰大将李光荣以下十余人，遂谋进取抚顺。议用兵十八万，大将十人，上奏陈方略。
袁应泰做官精敏强毅，治水理财都很有水平，但指挥作战非所其长，计划部署做的很糟糕。廷弼在边，持法严，部伍整肃，袁十分迂腐地认为应该宽仁爱民，于是改变了不少军纪。此时又因为小冰河期的原因，蒙古诸部大饥，多入塞乞食。应泰又发起了妇人之仁，他对左右反对者说：“我不急救，则彼必归敌，是益之兵也（我们朝廷不救他们，他们就要到敌人那里去当雇佣兵了，这是白白增大了建州叛军的实力吗）。”于是下令招降。来投降的蒙古人逐步增多，袁应泰把他们安置在辽阳、沈阳这两大要塞，每月给他们发粮食，与百姓杂居。结果这些人潜行淫掠，“居民苦之”。左右都认为他收降过多，其中不免有暗中为敌人所用，或者敌杂间谍其中为内应的，恐怕将来会起变。但袁应泰还自以为得计，解释说：“我这是仿照先人的故智，将凭借这些人来对抗建州叛军（按：明朝经常雇佣蒙古人组成骑兵来对抗贼军，以往也常常奏效）。”正赶上三岔儿之战，袁应泰用蒙古降人为前锋，他们都奋勇作战，战死的就有二十余人。袁应泰遂用此事来平息了众人的议论。
第二年（天启元年）的农历三月十二，建州叛军大举进攻沈阳。总兵官贺世贤、尤世功出城力战，败还。明日，蒙古降人果然内应，城于是被攻破，二将战死。总兵官陈策、童仲揆等率领浙江兵、四川兵和土家族土司私兵的援辽军3万余人赴援，在混河与叛军恶战，亦战败阵亡。袁应泰感到大事不妙，于是撤除奉集、威宁等堡垒的守军，并力防守总基地辽阳，引水注濠，沿濠列火器，兵环四面守。三月十九，叛军临城。袁应泰亲自指挥总兵官侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、朱万良等率领诸军出城五里迎战，因为分兵，加上精锐部队已经在沈阳和混河损失殆尽，官军作战不利，损失了不少部队。晚上，应泰宿营中，不入城。明日，叛军掘城西闸以泄濠水，分兵塞城东水口，击败诸将的援军，遂渡过壕沟，怪叫着杀向城门。鏖战良久，叛军骑兵从其他地方赶来增援的越来越多，诸将兵都被击败，向辽阳城溃走，被杀被溺死的不计其数。袁应泰感到大势不妙，于是入城，与巡按御史张铨（齐党成员）等人分别到各个城门督战固守。按察使司的几位派出官员（估计是道员）高出、牛维曜、胡嘉栋及督饷郎中傅国一齐逾城逃遁，人心逐渐涣散。又过了一天，叛军攻城更加猛烈，袁应泰指挥诸军列?（大盾牌）大战，又败。薄暮，谯楼失火，贼兵从小西门入城，城中大乱，蒙古降人和一些汉奸引导叛军扑向各个要地。袁应泰坐在城楼上，知道大势已去，长叹着对谓张铨曰：“您没有守城的责任，应该快逃走。吾就死在这里了。”遂佩着上方宝剑和官印自缢而死。妇弟姚居秀也追随他而去。仆人唐世明抱着尸提大哭，纵火焚楼而死。朝廷听说了此事，追赠他为兵部尚书，给予祭葬，让其一子得到荫官。张铨也不屈于贼，自杀殉国。
评论说：袁应泰无才而当大任，终丧辽东并天下强兵10余万，其罪浮于杨镐也！然应泰已用命，不足深苛，故首罪者，唯荐者而已。
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