孔有德乘机让部下300余人诈降，混入登州城，与在城里的耿仲明等密谋策划，并趁夜间人们熟睡之时，里外夹攻，占领了登州城，活捉了孙元化及明守备宋光兰、分巡道王梅等官员。
总兵张可大坚守水城数日，终因寡不敌众，水城陷落，张可大杀死妻妾后自尽于太平楼。孙元化不久逃回天津，被明政府处死，余大成也被罢免。
不久以后，孔有德、耿仲明等人又攻破黄县，明廷急令谢琏为副都御使巡抚登莱，擢参政徐从治为山东巡抚，让徐从治驻守莱州城，以防备孔有德部西进。
崇祯五年（二月，孔有德部率军围攻莱州，徐从治与谢琏拼死抵抗，同时向朝廷求援。但自北京南下的总兵刘同柱，虽抵山东境内，却迟迟不敢到莱州解围，大学士周延儒与兵部主事张国臣等又提议招抚，张国臣等也自愿到阵前招抚孔有德等人。
明主力部队的迟疑不前和主抚派的活动，更加助长了孔有德等人的气焰，他广招原部下，驻守皮岛的明将陈友德等3000人，也加入到叛乱的行列。
叛军更是全力攻打莱州城。对于明朝一些官员的招抚行为，坚守莱州的徐从治、谢琏等人坚决反对。
在徐从治、谢琏和莱州知府朱万年等的带领下，守卫莱州的军民“备刍粮，设守具，据敌数月”。在叛军的重重包围之中，尽管城中已到弹尽粮绝的地步，仍拒不开城投降。
而明总兵邓圮、王洪已率川兵万人自昌邑来援，距莱州仅40里，却接到命令驻足不前，指望招抚成功。
孔有德见状，拼命攻城，巡抚徐从治亲上城楼，被叛军炮火击中，重伤而死。他的死更激发了莱州军民守城的决心，“莱人感其义，卒坚守不下”。
崇祯五年七月，莱州被围已有4个月之久，但明政府的一些官员却并不急于解莱州之围，而是一直采用招抚的手段对待孔有德。
由于莱州城防坚固，叛军一时也难以得手。孔有德见攻莱州不下，就又施展诡计，给总督刘宇烈写信，表示愿受抚归降，但要面见谢琏谈判。刘宇烈派推官屈宜阳入莱州城，谢琏信以为真，先让知府朱万年出南门面见孔有德，孔有德告诉朱万年，表示愿意投诚。
朱万年回城将情况告知谢琏，谢琏与朱万年及翟、刘两个派来监军的宦官出城与孔有德见面，宣读朝廷让他投降的诏书。孔有德早有准备，立即让部下将4人捉住，乘城门大开，急令攻城。朱万年见势危急，大喊关闭城门，被孔有德杀死。明军紧急关闭城门，孔有德破城计谋未能得逞。
谢琏被俘后，明政府招抚不成，遂急令各路援军向孔有德进攻。孔有德见情势不妙，撤回登州城，明总兵吴襄率军克招远、黄县，莱州之围方解。同年九月，明军将孔有德叛军围于登州城中。
十月，明军开始攻城，战斗进行得十分激烈，明副总兵丁思侯、裨将程仲文、祖邦楼在攻城中战死，叛军主要将领李九成也被明军炮火击毙。
孔有德见登州难保，于崇祯六年二月十三日率叛军近万人突围，弃城登船而逃。驻守在旅顺、长山、鹿岛的明总兵黄龙，预计孔有德兵败后必经长山、旅顺而投奔后金，早已严阵以待，周文郁等也穷追不舍。
孔有德部在旅顺一带登陆后，黄龙率兵伏击，擒获孔有德部将毛有顺、毛承福等人，大败叛军。孔有德、耿仲明等率余部逃到盖州，转投后金，上书乞降曰：
为直陈衷曲，以图大事：照得朱朝至今，主幼臣奸，边事日坏，非一日矣。兵士鼓噪，触处皆然，非但本帅为此也。
前奉部调西援，钱粮缺乏，兼沿途闭门罢市，日不得食，夜不得宿，忍气吞声。行至吴桥，又因恶官把持，以致众兵奋激起义。遂破新城、破登州，随收服各州县。
去年已有三次书札，全未见复，始知俱被黄龙在旅顺所截夺。继因援兵四集，围困半载，彼但深沟高垒，不与我交战。
彼兵日多，我兵粮少，只得弃登州而驾舟师，原欲首取旅顺为根本，与汗连合一处，谁知飓风大作，飘至广鹿岛。
本帅即乘机收服广鹿、诸岛，若论大海，何往不利？要之终非结局。久仰明汗网罗海内英豪，有尧、舜、汤、武之胸襟，无片甲只矢者，尚欲投汗以展胸中之伟抱；何况本帅现有甲兵数万，轻舟百余，大炮火器俱全。有此武备，更与明汗同心协力，水陆并进，势如破竹，天下又谁敢与汗为敌？此出于一片真热心肠，确实如此。汗如听从，大事立就，朱朝之天下转瞬即汗之天下。
是时明汗授我何职，封我何地，乃本帅之愿也。特差副将刘承祖、曹绍中为先客，汗速乘此机会，成其大事，即天赐汗之福，亦本帅之幸也！
若汗不信，可差人前看其虚实如何。本帅不往别地，独向汗者，以汗之高明，他日为成大事，故效古人弃暗投明也，希详察之。
崇祯六年四月，他们率叛军及家眷多人在鸭绿江口与济尔哈朗、阿济格、杜度率领的后金兵会合，被要求剃发，登莱之乱遂告结束。
由于孔有德带来了后金急需的舰队、红夷大炮及匠人，所以皇太极对他们的投降极为重视，亲率诸贝勒出盛京十里迎接，并使用女真人最隆重的“抱见礼”相待，仍以他为都元帅，安置东京，自成一军，称“天佑兵”，给予特殊待遇，随后便引后金兵攻占黄龙所在之旅顺。
崇