因為勤政愛民，治水有方，他被升為工部主事，后又被提升為兵部武選司郎中，在任期內裁汰打發了數百個假冒世職的人。不久外放為布政司參議，任淮徐兵備道。當時因為小冰河期的原因，山東發生大饑荒（見亓詩教條），袁應泰也積極參與救災，他設粥廠哺流民，繕城浚濠，修先圣廟，饑者盡得食。由于救災資金不足，于是就挪用了額外稅及漕折馬價數萬金，先后發放給災民。結果事后戶部彈劾他“擅移官廩”，當時已因功晉升他為按察副使，于是朝廷覺得他這么做也是事出有因，就讓他“借口有病，暫時回家修養”。
久之，起河南右參政，以按察使為永平兵備道。應泰于是在那里招兵買馬，休整要塞，打造戰艦，采辦火藥軍械，十分得力。輿論認為他很是精明能干。連熊廷弼也認為他是后勤方面的專家的，對他非常依賴。
泰昌元年九月，東林當權，擢升為右僉都御史，代周永春巡撫遼東。逾月，熊廷弼倒臺，擢兵部右侍郎兼前職，代廷弼為經略，而以薛國用為巡撫。應泰受事，即刑白馬祀神，誓以身委遼。疏言：“臣愿與遼相終始，更愿文武諸臣無懷二心，與臣相終始。有托故謝事者，罪無赦�！膘渥趦炘t褒答，賜尚方劍。乃戮貪將何光先，汰大將李光榮以下十余人，遂謀進取撫順。議用兵十八萬，大將十人，上奏陳方略。
袁應泰做官精敏強毅，治水理財都很有水平，但指揮作戰非所其長，計劃部署做的很糟糕。廷弼在邊，持法嚴，部伍整肅，袁十分迂腐地認為應該寬仁愛民，于是改變了不少軍紀。此時又因為小冰河期的原因，蒙古諸部大饑，多入塞乞食。應泰又發起了婦人之仁，他對左右反對者說：“我不急救，則彼必歸敵，是益之兵也（我們朝廷不救他們，他們就要到敵人那里去當雇傭兵了，這是白白增大了建州叛軍的實力嗎）�！庇谑窍铝钫薪怠硗督档拿晒湃酥鸩皆龆�，袁應泰把他們安置在遼陽、沈陽這兩大要塞，每月給他們發糧食，與百姓雜居。結果這些人潛行淫掠，“居民苦之”。左右都認為他收降過多，其中不免有暗中為敵人所用，或者敵雜間諜其中為內應的，恐怕將來會起變。但袁應泰還自以為得計，解釋說：“我這是仿照先人的故智，將憑借這些人來對抗建州叛軍（按：明朝經常雇傭蒙古人組成騎兵來對抗賊軍，以往也常常奏效）�！闭s上三岔兒之戰，袁應泰用蒙古降人為前鋒，他們都奮勇作戰，戰死的就有二十余人。袁應泰遂用此事來平息了眾人的議論。
第二年（天啟元年）的農歷三月十二，建州叛軍大舉進攻沈陽�？偙儋R世賢、尤世功出城力戰，敗還。明日，蒙古降人果然內應，城于是被攻破，二將戰死。總兵官陳策、童仲揆等率領浙江兵、四川兵和土家族土司私兵的援遼軍3萬余人赴援，在混河與叛軍惡戰，亦戰敗陣亡。袁應泰感到大事不妙，于是撤除奉集、威寧等堡壘的守軍，并力防守總基地遼陽，引水注濠，沿濠列火器，兵環四面守。三月十九，叛軍臨城。袁應泰親自指揮總兵官侯世祿、李秉誠、梁仲善、姜弼、朱萬良等率領諸軍出城五里迎戰，因為分兵，加上精銳部隊已經在沈陽和混河損失殆盡，官軍作戰不利，損失了不少部隊。晚上，應泰宿營中，不入城。明日，叛軍掘城西閘以泄濠水，分兵塞城東水口，擊敗諸將的援軍，遂渡過壕溝，怪叫著殺向城門。鏖戰良久，叛軍騎兵從其他地方趕來增援的越來越多，諸將兵都被擊敗，向遼陽城潰走，被殺被溺死的不計其數。袁應泰感到大勢不妙，于是入城，與巡按御史張銓（齊黨成員）等人分別到各個城門督戰固守。按察使司的幾位派出官員（估計是道員）高出、牛維曜、胡嘉棟及督餉郎中傅國一齊逾城逃遁，人心逐漸渙散。又過了一天，叛軍攻城更加猛烈，袁應泰指揮諸軍列?（大盾牌）大戰，又敗。薄暮，譙樓失火，賊兵從小西門入城，城中大亂，蒙古降人和一些漢奸引導叛軍撲向各個要地。袁應泰坐在城樓上，知道大勢已去，長嘆著對謂張銓曰：“您沒有守城的責任，應該快逃走。吾就死在這里了。”遂佩著上方寶劍和官印自縊而死。婦弟姚居秀也追隨他而去。仆人唐世明抱著尸提大哭，縱火焚樓而死。朝廷聽說了此事，追贈他為兵部尚書，給予祭葬，讓其一子得到蔭官。張銓也不屈于賊，自殺殉國。
評論說：袁應泰無才而當大任，終喪遼東并天下強兵10余萬，其罪浮于楊鎬也！然應泰已用命，不足深苛，故首罪者，唯薦者而已。
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