然派他镇守宁远。当蒙古炒花等部落分崩离散时，满桂与王之臣召来很多蒙古人安置在自己部下。
天启帝去世，崇祯帝朱由检即位，下诏告诫王之臣注意不要再蹈袁应泰、王化贞的覆辙，并且批评满桂迎合王之臣的心意，满桂于是告病，请求解职，崇祯帝不同意。言官纷纷弹劾王之臣，进而连及满桂，王之臣遭到罢官，满桂也被召回军府。恰逢大同总兵渠家桢出事，就让满桂接替渠家桢担任大同总兵。大同长期以来仗着议和放松战备，插部西侵，顺义王于是进入大同境内来大肆掳掠。渠家桢和巡抚张翼明被判死刑，插部拿到抚赏金还不离开，满桂到任后，视察八路七十二座城堡，边防战备得到大力整顿，大同军民因此才消除恐惧心理。
后金军打进京师北京郊区，朝廷颁诏指示各地勤王，满桂率领五千名骑兵进京守卫，驻扎在顺义，与宣府总兵侯世禄都打了败仗，于是奔赴北京。崇祯帝派官前来慰劳，犒赏他们一万两银子，让他和侯世禄一起驻扎在德胜门。不久，出外交战，侯世禄的队伍败退下来，满桂独自向前拼杀，城墙上边发大炮配合他，却误伤满桂的部队，满桂也受伤，崇祯帝让他进城门外的瓮城中休息。不久，与袁崇焕、祖大寿一起得到召见，满桂解开衣襟给崇祯帝看自己的伤，崇祯帝表示深深的赞叹，又一次召见他们，把袁崇焕下狱，赐给满桂酒食，命令他总理山海关、宁远的将士，在安定门外扎营。
满桂勇猛敢战，他部下的降人有时搅扰百姓，满桂不加惩办，副将申甫所率领的队伍中有很多市民，满桂的部队欺负他们，夜间向他们的驻地射箭惊吓他们，射死了人。御史金声报告上去，崇祯帝也不追究，等祖大寿的军队向东逃跑后，崇祯就加封满桂为武经略，统领所有过来保卫京师的部队，赐给他尚方宝剑，催促他出兵作战。满桂说：“敌兵强大，我们援兵不多，不可轻易出去打。”宦官紧催他，满桂迫不得已，只好指挥黑云龙、麻登云、孙祖寿等大将，起兵营移到离永定门二里左右的地方，树起栅栏，等待后金军。
后金军从良乡回师后，第二天拂晓，用精锐骑兵从四面八方挤压过去，官军的将领阻挡不住，被打得大败，满桂和孙祖寿阵亡，黑云龙、麻登云被活捉。崇祯帝听说后，极为伤心，派礼部侍郎徐光启对他们进行祭奠