十一月二十九日，孔有德等人率军从吴桥出发，连陷陵县、临邑县、商河县、齐东县、德平县、青城县、新城县等地。面对叛乱，登莱巡抚孙元化和山东巡抚余大成采取姑息政策不为准备，加上山东承平日久，武备废弛，将士骄弱，叛军所过之处，明军一触即溃。登莱总兵张可大知道孔有德居心叵测，想率兵西行，但为孙元化阻止。只有莱州知府朱万年因为严密守备，叛军未能攻下，遂绕过黄县，直趋登州。
十二月二十二日，叛军抵达登州城南的神密山。登州(府治蓬莱县城兼登州卫、登州镇)背山面海，扼守京津门户，战略位置十分重要，隔海与山海关、宁远、旅顺、高丽、日本遥遥相望。明初设登州卫，明末设登莱巡抚于登州卫，与关宁和天津互为犄角，登莱巡抚袁可立曾在此操练水师。
崇祯五年正月初一，登州西门（迎恩门）方向，叛军开始攻城。明军和葡萄牙炮兵利用事先标定的尺码发射开花弹和霰弹，叛军无处躲藏，狼奔豕突，进攻失败。
正月初二，孙元化派遣张可大的步兵右营和张焘的步兵左营。在相对宽阔的登州城东门外和叛军战斗。叛军分为三部分，李九成为前锋，孔有德和李应元各领一军为左右翼，自东往西席卷而来。双方先以炮战打乱对方队形，接着叛军骑兵在前步兵在后向前冲。
浙江兵排成了前后五层在中间，步兵在后，炮兵、骑兵在左右，到五百步距离，守军佛郎机炮开始发射，但是叛军继续向前，守军于是举起鸟铳，在一百步(约合156米)左右发射，第一排的士兵发射完毕迅速退到后面另组队列，而早已准备好的第二排数百名士兵重复操作，发射完毕后，第三排、第四排、第五排连续重复，结果李九成的先头部队大败，此时浙江兵向前击杀叛军。
但辽兵忽然大喊败了，还攻击浙江兵，导致浙江兵大败而归，张可大、张焘率少数兵力逃走。此战明军损失游击、都司以下官兵上千人，叛军接受投诚辽东兵数千人，俘获数千人，登州明军机动兵力消灭大半。