进士出身的袁崇焕毕竟比行伍出身的毛文龙工于心计，而且钦差督师的权力也使他处于主动的地位，精心策划了一个圈套，让毛文龙来钻。他凑发十万两军饷，以缓解毛文龙的怨气。据他日后所写《蓟辽督师袁崇焕题本》中声称：“凡此，皆愚之也，（毛）文龙果堕彀中。”毛文龙到底是一介武夫，至死都没有识破督师大人算计他的圈套，还特地赶到宁远去参见他，表达对顶头上司的礼节。袁崇焕为何不在宁远的督师衙门处死他？那是考虑到毛的部下不能亲眼目睹，恐怕激起事变，残局反而不好收拾。他决定深入海岛，到巢穴擒虎，便与毛文龙约定，在旅顺口附近的双岛再次会晤，兼带检阅东江官兵。
崇祯二年（1629）五月二十九日，袁督师抵达距离旅顺口陆路十八里、水路四十里的双岛，次日，毛文龙从皮岛赶来，双方拜会。回拜，礼尚往来，丝毫看不出有何异常。
六月初三日，袁督师检阅军队，毛文龙率领将官列队欢迎。次日，毛文龙设宴为督师大人接风。席间，两人密谈至晚间，谈了一些什么，不得而知。只能从《蓟辽督师袁崇焕题本》看到一个大概：
袁试探道：“久劳边塞，杭州西湖尽有乐地。”
毛应答道：“久有此心，但唯我知灭奴孔窍，灭了东夷，朝鲜文弱，可袭而有也。”
袁说：“朝鲜不勤远略，当有代劳者。”
毛说：“此处谁代得？”
看似闲聊，话语中隐约带有火药味，袁督师要毛帅交出兵权，告老还乡，到杭州西湖去享乐。毛帅则反唇相讥，大有此地舍我其谁的意思。
六月五日，袁督师在双岛召集毛部将士，犒赏随毛前来的三千五百人，对他们说：这样的好汉人人可用，我宁远前线将官有许多俸禄，士兵有许多粮饷，你们在海外辛苦，俸禄不足以养家糊口，情实酸痛。你们受本部院一拜，为国家出力，自后不愁无饷。这一席话既有同情又有煽惑，流露出要收拾毛文龙，整编其军队的意思。
眼看时机成熟，袁督师单刀直入，突然向毛帅兴师问罪：“本部院与你谈了三日，只道你回头是迟也不迟。哪晓得你狼子野心，总是一片欺诳，到底目中无本部院犹可，方今圣天子英武天纵，国法岂容得你！”
不容毛文龙申辩，袁督师立即宣布毛文龙十二条“当斩之罪”：其一，九年以来兵马钱粮不受经略巡抚管核；其二，全无战功，却报首功；其三，刚愎撒泼，无人臣礼；其四，侵盗边海钱粮；其五，自开马市，私通外夷；其六，亵朝廷名器，树自己爪牙；其七，劫赃无算，躬为盗贼；其八，好色诲淫；其九，拘锢难民，草菅人命；其十，交结近侍；其十一，掩败为功；其十二，开镇八年，不能收复辽东寸土。
现在已经无法核对这些罪状究竟是否属实，即使全部都是事实，这十二条中也只有二三条够得上成为罪状，其余各条大多是官场或军队的通病，并非毛文龙所独有，如果一次定“当斩之罪”，那么当斩的官僚、将领多得很，何必非斩毛文龙不可？何况他毕竟有牵制后金（清）军队的功劳，处死是难以令他心服口服的。然而此时已经没有回旋的余地了。袁督师说完十二条罪状后，面向京城方向一拜，下令：“缚文龙，去冠裳！”
袁崇焕申斥道：“你道本部院是个书生，本部院是朝廷一个首将。尔欺君罔上，冒兵克饷，屠戮辽民，残破高丽，骚扰登莱，尔罪岂不应死？”接着向在场的毛部将士大声说：今日杀了毛文龙，如果本部院不能为朝廷收复辽东全部领土，愿意用尚方剑为你偿命。毛文龙如此罪恶，尔等以为应杀不应杀？如果我屈杀文龙，尔等就来杀我。
其实他早已命令随行的参将布置定当，毛部将士已无反抗可能。众将官相视失色，纷纷叩头哀告。一向桀骜不驯的毛文龙这时也软了，他以为处死他是皇上的旨意，连忙求饶：“文龙自知死罪，只求恩赦。”
袁崇焕毫不松口，继续申斥：“你不知国法久了，若不杀你，东江一块国土非皇上所有。”说罢，朝西叩头请旨，说道：“臣今日诛文龙，以肃军政，镇将中再有如文龙者，亦以是法诛之。臣五年不能平奴，求皇上亦以诛文龙者诛臣。”然后取下尚方宝剑，交给旗牌官，立即把毛文龙在帐前斩首。
威震辽东的一代枭雄，没有死在努尔哈赤和皇太极的手下，而死在督师钦差的尚方宝剑之下，对于毛文龙而言是悲剧的结局，对于袁崇焕而言则是悲剧的开端，此话怎讲？因为他自己已经把话讲绝：“臣五年不能平奴，求皇上亦以诛文龙者诛臣。”
袁崇焕离开双岛返回宁远后，写了洋洋数千言的奏疏——《蓟辽督师袁崇焕题本》，向皇帝报告处死毛文龙的全过程，流露出惶恐的心情。尽管他有皇帝赏赐的尚方宝剑，可以便宜行事，但是毛文龙也有先帝赏赐的尚方宝剑，与一般总兵地位迥异。大敌当前，未经请示，擅杀一名大帅，非同小可，无怪乎他要对皇上说：“战惧惶悚之至”，“席藁待罪”了。
崇祯皇帝看到袁崇焕的报告，大为震惊，又不好发作，考虑到毛文龙既然已死，眼前正要倚重袁崇焕收复辽东，勉强表示：“阃外原不中制，不必引罪。”
这一事件，对于皇帝而言，实在有点为难。之前已经把辽东事宜全权托付给了袁崇焕，将在外君命有所不受，处死毛文龙难以问罪。他只要求袁崇焕能够实现“五年复辽”的诺言，在此前提下，一切都可以听任他便宜行事。对于袁崇焕而言，杀毛文龙大错特错，于己于国都无好处。
于己而言，他在杀毛文龙时发誓：“我若不能恢复辽东，愿齿尚方以谢尔。”在给皇帝的报告中也说：“臣五年不能平奴，求皇上亦以诛文龙者诛臣。”恢复辽东的军事行动尚未开始，先自同室操戈，削去自己的右臂，无异于把自己逼上了绝路，如果不能实现“五年复辽”的承诺，那么只有一死。果然一语成谶，不幸而言中，他死得比毛文龙更惨。正如谈迁在《国榷》中所说：袁崇焕杀毛文龙，“适所以自杀也”。
于国而言，临敌斩帅乃兵家大忌，内部窝里斗的结果，使得皇太极不费一兵一卒坐收渔翁之利，今后发兵南下没有了后顾之忧。夏允彝《幸存录》说：“（毛）文龙当辽事破坏之后，从岛中收召辽人，牵制金、复、海、盖（引者按：指金州、复州、海州、盖州），时时袭东，有所斩获，颇有功。但渐骄恣，所上事多浮夸，索饷又过多，朝论多疑之者，以其握重兵，又居海岛中，莫能难也。”袁崇焕杀毛文龙，反映了朝论的这种倾向。但是从全局看，毛文龙作为平辽将军的存在，对后金（清）是一种威慑力量，是他们的后顾之忧。这一点，袁崇焕自己也不否认：“东江一镇，乃牵制之必资也。”
因此，朝廷官员对袁崇焕杀毛文龙进行了委婉的批评，负责监督兵部的兵科都给事中张鹏云说：毛文龙所控制的旅顺附近的金复海盖四州，实为战略要地，与宁远可以呼吸相通，倘驻兵于此，平时可以壮声势，战时可以探虎穴。兵科给事中宋鸣梧也说：兵法讲究犄角以牵制，当后金全师出击时，如能分疲其势，就能使其攻捣徒劳。如能掌控复州、盖州以及东江一带，以窥辽沈，尤为全策。他们两人旁敲侧击地肯定了毛文龙及其辖地在牵制后金（清）军队方面的战略作用。
正因为如此，皇太极早就把毛文龙视为眼中钉，对他软硬兼施，但征讨与招降都没有收到什么效果。皇太极无法做到的事，袁崇焕帮他做到了，岂不令亲者痛仇者快吗？毛文龙被杀的直接后果，便是几个月后的“己巳之变”——后金军队突破长城边关，兵临北京城下。这一事件从反面证明，毛文龙的牵制作用一旦解除，后金就可以肆无忌惮地长驱南下，足以发人深省。
当时的一些官员已经看到了这一点。兵科给事中陶崇道指责袁崇焕假公济私，毛文龙无罪被杀，为今之计，应当尽快把留在北京的毛文龙儿子派去安抚部将。但为时已晚，毛文龙的部将孔有德、耿仲明在登州哗变，几乎所向披靡，酿成山东大乱。它以一种令人遗憾的方式表明，毛文龙的军队并不像袁崇焕所说，只会冒饷不会打仗。不久，孔、耿率部投降皇太极，成为南下攻伐的急先锋。当然，孔、耿的叛变责由自负，但袁崇焕杀毛文龙，起到了为渊驱鱼、为丛驱雀的作用，是不可否认的。