这一年京师戒严，于是宣招他进京入卫，又赐予尚方剑。等卢象升一走，义军发展起来。京师解严以后，升任兵部左侍郎，总督宣府、大同、山西军务。大力发展屯垦制度，谷熟了以后，积累粟二十余万。皇上要求九边都学习宣府、大同经验。崇祯十年，卢象升听闻宣府有警报，连夜赶到天城。听谍报说，二百里外乞炭的骑兵部队踏平了四十多里。卢象升曰：“这是准备大战.又听说敌人还在屯扎.卢象升说：“这是准备向云、晋进军，想让我jūn_duì 集结于宣府，想乘虚而入。”于是通报云、晋的部队不要调动，自己率部队在到右卫，告戒边关将吏不要轻易言战。相持一月，卢象升曰：“敌人已经放松警惕，可以作战了。”暗自通知云师从西来，宣师从东来，自己率部队直子午，出羊房堡，展开大战。乞炭听说以后，逃走。卢象升在阳和时，乞炭一直不敢靠近边塞。九月，清兵攻陷入墙子岭、青口山，杀总督吴阿衡，拆毁正关，来到营城石匣，驻扎在牛兰。朝廷宣召宣、大、山西三总兵杨国柱、王朴、虎大威进京入卫，第三次赐给卢象升尚方剑，督统天下援兵。当时，杨嗣昌、高起潜主持和议。卢象升听说以后，顿足叹息.到了京城，皇帝召对，问当前方略。卢象升回答说：“主战。”皇帝脸色很不好看，良久才说：“和议只是在群臣间商议，请和杨嗣昌、高起潜商议吧!。”和杨嗣昌、高起潜商议之后，没有谈拢。第二天，皇帝发派万金犒军，杨嗣昌送行，屏退左右，劝戒卢象升不要浪战，于是告辞而去。部队进至昌平，皇帝又派人送来三万金犒军。再过一天，又送御马百匹，太仆马千余匹，银铁鞭五百。卢象升说：“果然和议仅仅是朝臣中商议，皇帝是决心作战的。”于是认真决策议战，但是事情多为杨嗣昌、高起潜阻挠。因此卢象升请求分兵，于是宣、大、山西三帅归卢象升，关、宁诸路归高起潜。卢象升虽然名义上督率天下兵马，但实际不到二万。来到顺义。过了几天，高起潜来到安定门，两人还是各持一议。陈新甲也来到昌平，卢象升又分拨部队给他。当时，卢象升自己率马步军列营都城之外，冲锋陷阵，军律整齐。
清兵南下，分兵三路：一从涞水攻易，一从新城攻雄，一从定兴攻安肃。卢象升于是从涿州进保定，命令诸将分道出击，在庆都大战。编修杨廷麟上疏言：“姚南仲在内，李纲无功；黄潜善秉成，宗泽殒恨。国家内部如果有这样的人，不是封疆大臣的福。”因为是在讥讽杨嗣昌，杨嗣昌大怒，改任杨廷麟为兵部主事，发到卢象升军中，又撤免卢象升尚书职务，改为侍郎。命令大学士刘宇亮督师，巡抚张其平断绝前线粮饷。后来又借口云、晋有警报，王朴也率部队离开了。
卢象升带领残兵，在三宫野外宿营。畿南的三郡父老知道了，都到军门请见说：“天下汹汹已经十年，您不顾自己以天下为先。但是奸臣在内，您一个人受到嫉妒。三军带着出关的檄文，但是将士怀着西归的心愿。您如果听我们的，就请转移到广顺，召集其他部队。三郡的子弟欢迎您的到来，都愿意同心戮力，登高一呼那么自己携带粮食从军的就可能十万，比起这样没有援救，等着去死不是更好吗?”卢象升哭着对父老说：“感谢你们的忠义。但是，自从我和敌人作战，经数十百战未曾失败。今天，分到疲惫的士卒五千，但是大敌冲来，援师隔断，事情已经到了这个地步，食尽力穷，早晚是一死，不要徒劳的连累你们父老。”大家都痛哭，各自携带自己的粮食饷军，或者赠送枣，说：“请您把他当粮食用吧!”十二月十一日，卢象升率部队进至钜鹿贾庄。高起潜率领关、宁兵在鸡泽，距离贾庄有五十里，卢象升派杨廷麟去请求救援，不肯答应。部队来到蒿水桥，遭遇清兵。卢象升率中军，虎大威帅左军，杨国柱帅右军展开大战。到半夜，觱篥声四起。天明以后，骑兵数万重重包围。卢象升率部队大战，呼声动天，从辰时到未时，砲尽矢穷。仍奋身而斗，亲手击杀数十人，身中四矢三刃，于是战死。掌牧杨陆凯担心敌人会残害卢象升的尸体于是伏在尸体上面，身中二十四箭而死。全军覆灭。虎大威、杨国柱突围出去才得逃脱。
高起潜听说失败，仓皇逃走，不肯说卢象升死时的情状。杨嗣昌很怀疑，朝廷也下诏验视。杨廷麟在战场上发现了他的尸体，麻衣白网巾。一个士兵看见，痛哭说：“这就是卢公啊。”三郡的百姓听说后，都大哭失声。顺德知府于颍上状，嗣昌故故意阻挠，八十天后才下葬。第二年，卢象升妻王氏请求抚恤。再过一年，卢象升的弟弟卢象晋、卢象观又请，还是不许。直到，杨嗣昌倒台以后，才有人仗义执言，于是追赠太子少师、兵部尚书，赐予祭葬，世荫锦衣千户。南明福王时，又追谥忠烈，建祠奉祀。
卢象升死的时候，只有三十九岁。后来南明灭亡，弟弟卢象观自杀，卢象晋出家为僧，一门先后赴难者百余人。从弟卢象同和他的部将陈安死的时候尤为