历史背景
崇祯三年（1630年）一月，孙元化随孙承宗镇守山海关，三月加山东按察副使，五月升登、莱二州巡抚。後袁崇焕杀毛文龙，於皮岛的毛文龙旧将哗变，孙元化接收了皮岛的叛将孔有德、耿仲明、李九成、李应元诸将。孔有德被任命为骑兵参将，耿仲明则被派往登州要塞。
崇祯四年（1631年）八月，祖大寿受困大凌河城（今辽宁锦县）内。孙元化急令孔有德以八百骑赶赴前线增援，然登州辽东兵与山东兵素不和，孔有德抵达吴桥时，因遇大雨春雪，部队给养不足，又部队行抵吴桥时，与山东人屡有摩擦，县人皆闭门罢市。有一士兵强取山东望族王象春家仆一鸡，该丁被“穿箭游营”。於是士兵击杀该家仆，事後象春之子不肯罢休，要求查明真相，李九成把孙元化给的市马钱花尽，恐遭非议，於是抢劫哗变。
孔有德受李九成、李应元父子的煽动叛变，在山东境内连陷数城，黄龙遭叛兵割去耳鼻，史称“吴桥兵变”。广东道御史宋贤上疏抨击山东巡抚余大成、孙元化：“登莱抚臣孙元化侵饷纵兵，贪秽已极。其所辖士卒，数月间一逞於江东，则劓截主将；再逞于济南，则攻陷城池，皆法之所不赦者。”，广西道试御史萧奕辅指责孙元化放任孔有德，又说张焘“卸罪於波涛，借词于风汛”。
後孔有德倒戈杀回山东半岛，连陷临邑、陵县、商河、青城诸城，率兵直趋登州。孙元化急令张焘率辽兵守登州城外，遗总兵官张可大发兵抗击，以两路成合击之势。但张焘部与孔有德旧职，张焘的兵卒随即投入孔有德行列。崇祯五年（1632年）一月登州便告失陷，掳获了旧兵六千人、援兵千人、马三千匹、饷银十万两、红夷大炮二十馀位，西洋炮三百位。总兵张可大斩杀其妾陈氏後，上吊自尽，孙元化自杀未成 ，不向叛军妥协，城中葡萄牙人有西劳经、鲁未略、拂朗亚兰达、方斯谷、额弘略、恭撒彔、安尼、阿弥额尔、萨琮、安多、兀若望、伯多彔等12人死亡，15人重伤。孔有德念旧，五年二月将元化和宋光兰、王徵、张焘等人放还。孙元化与余大成、张焘回到京师，为政敌陕西道试御史余应桂、兵科给事中李梦辰所陷害，元化送镇抚司，狱中遭到酷刑，“手受刑五次，加掠二百馀”。首辅周延儒欲免元化死罪，求救於徐光启，终无法挽回。
崇祯五年八月孔有德兵败於沙河的祖大弼、张韬等关外兵，莱州之围遂解。六年四月，孔有德、耿仲明从镇江堡（临鸭绿江出海口）降後金，降书曰：“本帅现有甲兵数万，轻舟百馀，大炮、火器俱全。有此武器，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乎？”皇太极出郊十里迎接，日後成为大清南下横扫千里的大军。
处理方式
崇祯四年（1631年）八月，皇太极率清兵攻大凌河城（今辽宁锦县），祖大寿受困城内。孙元化急令孔有德以本部由海路抄袭建州叛军后路——耀州（今营口附近）。但遇到风浪，未能成功。孙元化大怒，复令孔领八百骑由陆路赶赴前线增援。然登州辽东兵与山东兵素不和，孔有德抵达吴桥（今河北省沧州市吴桥县，当时属于山东）时，因遇大雨春雪，部队给养不足，又部队行抵吴桥时，与山东人屡有摩擦，县人皆闭门罢市。有一士兵强取身为山东望族，东林党干将（《东林点将录》内称“浪里白条”）的王象春之家仆一鸡，该丁被“穿箭游营”。于是士兵击杀该家仆，事后象春之子不肯罢休，要求查明真相。此时，把孙元化给的市马钱花尽的李九成正好归来，恐遭非议，于是乘机煽动众人抢劫哗变。
孔有德受李九成、李应元父子的煽动，在吴桥发动叛变，在山东境内连陷数城，史称“吴桥兵变”。而此前不久皮岛的东江军也发生兵变，本来就与他们不睦的东江总兵黄龙遭叛兵割去耳鼻，幸得素与孔有德的不和的东江军尚可义等部救援方得免。于是广东道御史宋贤上疏抨击巡抚余大成、孙元化：“登莱抚臣孙元化侵饷纵兵，贪秽已极。其所辖士卒，数月间一逞于江东，则劓截主将；再逞于济南，则攻陷城池，皆法之所不赦者。”广西道试御史萧奕辅指责孙元化放任孔有德，又说张焘“卸罪于波涛，借词于风汛”。朝中布满指责孙元化，潜攻东林出身之大学士周延儒和废止东江、登州两镇的声音；另一面，朝中东林分子和支持孙元化的一派，则心存侥幸，主张招抚叛军。日后朝廷举棋不定，几乎放任山东糜烂的局面，与朝中此种内斗不无联系。
叛乱后，孔有德遂倒戈杀回山东半岛，连陷临邑、陵县、商河、青城诸城，率兵直趋登州。其间，山东巡抚余大可托疾数日不能出，等到实在不得已了，才派遣中军沈廷谕、参将陶廷鑨率数千人往御叛军于阮城店，但山东兵不堪一击，“皆败而走”。大成惊恐万分，于是一下子变成了“主抚派”，极力避免交战。
与此同时，与孔有德交好的东江镇旅顺副将陈有时和广鹿岛副将毛承禄（毛文龙从子）也起兵响应，该部一举发展为七八千人的大军，一度割据半个东江镇，企图与山东叛军南北呼应，一举建立一个辽东武人自己的国家。总兵黄龙一时间居然只剩下皮岛单基地和几个游击在苦苦支撑，“急遣尚可喜、金声桓等抚定诸岛，而躬巡其地，慰商民，诛叛党，纵火焚其舟”。陈有时、毛承禄不能抵挡，败走登州与叛军主力回合，留下部下高成友防守旅顺，以阻断断关宁、天津两镇来的援军，为叛军赢取时间。黄龙调动游击李维鸾偕尚可喜等击破，立即移军驻扎其地，援军才得通畅。此后，黄龙遂率本军经营该堡，主持北线平叛战局，直到次年七月败亡。而留东路于副将沈世魁等毛帅“外戚”。
叛军逼近登州，孙元化急令总兵官张焘率辽兵守登州城外，遗总兵官张可大发兵（本部援辽浙军）抗击，以两路成合击之势。但张焘与孔有德是老战友，开始交战后其兵卒随即投入孔有德行列，而张可大部自是大败。与孔有德是旧交的登州中军耿仲明、陈光福等人，立即举火开门，崇祯五年（1632年）正月登州便告失陷，掳获了旧兵六千人、援兵千人、马三千匹、饷银十万两、红夷大炮二十余位，西洋炮三百位。总兵张可大斩杀其妾陈氏后，上吊自尽，孙元化自杀未成，不向叛军妥协，拒绝称王（时孔有德自称都元帅，封手下为总兵等职务，似有自开一国的打算）。城中葡萄牙军事教官有西劳经、鲁未略、拂朗亚兰达、方斯谷、额弘略、恭撒录、安尼、阿弥额尔、萨琮、安多、兀若望、伯多录等12人死亡，15人重伤。孔有德念旧，五年二月将元化和宋光兰、王征、张焘等人放还。孙元化与余大成、张焘回到京师，为政敌陕西道试御史余应桂、兵科给事中李梦辰所举发，诏送镇抚司，狱中遭到酷刑，“手受刑五次，加掠二百余”。首辅周延儒欲免元化死罪，求救于徐光启，终无法挽回。
崇祯五年七月二十三日（1632年9月7日）孙元化与张焘同被处死。宋光兰和王征、余大成充军。叛军在攻陷登州后，开始部署营伍、伪授官爵，并铸「都元帅」印，推原官阶较高的李九成（参将）为首、孔有德（游击）为副，耿仲明（游击）则自称都督。此因在吴桥初叛之时，是由李九成和李应元（千总）父子劫有德而叛，且返登沿途攻破六城时，皆以九成为前驱，故有德虽为叛军的直属带兵官，但却以「九成父子材武，且有首事之勋」而让先。李九成外号「三大王」，尤长于鸟铳，「可择人命中」，时人有称：「虽孔有德肇乱于吴桥，而造谋桀鷔，为众逆之所推戴者，李九成实居孔有德之右，故其挺身率贼，抗我王师，凶恶至极。 」知李九成初确为叛军之首脑。
较晚成书的清代文献则多称当时乃以孔有德为都元帅、李九成为副元帅，且指孔有德和耿仲明叛变时原均任参将，此或因九成早死，且孔、耿二人在降清之后飞黄腾达，而遭阿谀者蓄意窜改所致。另一方面，在康熙《新城县志》中，则因叛军陷城时曾杀戮甚惨，故编纂者只称兵变的带头者是「李九成等」，而未敢言及孔、耿。
叛军曾将搜刮的财物拨出万金来犒赏辽东沿海诸岛，诱令同反。此一策略相当成功，如辽东半岛沿岸的鹿岛、石城岛等地的兵民均叛，但旋遭镇守在皮岛的黄龙敉平。由于黄龙原住登州的家人均在城破时被杀或被俘，孔有德遂遣石尽忠假持黄妻刘氏的金簪为信物，欲说降已攻抵长山岛的黄龙，但黄龙不受威胁，力歼叛党，并直趋旅顺。 在黄龙的围剿之下，欲叛离的岛众纷纷渡海至登州，其中即包括毛文龙诸义子之首的广鹿岛副将毛承禄；而阵容最浩大者，则是旅顺将领陈有时（先前名毛有侯）所率领的七、八千人，有称初叛于吴桥的兵士原即多为陈有时的部下，孔有德因此应允在攻破莱州后，所得尽归其众。
山东巡抚余大成闻登州已失，却束手无策，唯闭户修斋诵经，被人讥之为「白莲都院」。 崇祯五年（1632）正月十三日，叛兵破黄县。余大成遭革职，寻遭逮治。二十九日，总兵杨御蕃率通州等兵、王洪率天津兵与叛军在掖县八十里外的新城镇接战，当时叛军有骑兵五千名、步卒万余，明军只有骑兵不足一千、步卒不足四千，结果王营未战先溃，叛军且取其火器以攻杨军。明军最后星散四溃，仅御蕃率亲军三百人退抵莱州。
五年二月初一日，徐从治和谢琏两抚俱抵莱州。初三日，叛军至，在城四周扎营十多处，开始长期的围城战，守城的兵丁总数共约四千名。 三月二十七日，兵部侍郎刘宇烈以督理的身分誓师向莱州进发，共调集蓟门、密云等地的援兵和义勇乡兵，凡马步兵二万五千人；四月初二日，崇祯帝还特遣中使送红夷大炮六门至沙河交付援军。但因刘等统帅均不谙兵事，人马杂揉，纪律不明，又不分犄角，且辎重亦遭敌焚毁，终在沙河兵溃，被掳者无算，大炮等大量火器反为叛军所有，巡抚徐从治亦于十六日中炮死。
四月二十九日，莱州府推官屈宜扬自入叛军寨中讲抚，屈氏此举或得到刘宇烈的默许，刘氏于五月十六日还为此事具本题抚，但户部尚书毕自严、户部右侍郎刘重庆、四川道御史王万象等人均上疏力排抚议，或称：「孙元化乃以甘言啖贼，借名激变，特倡一抚之说……犹甘心囚首诡计入都，欲始终用抚之一着，以缓须臾之死。 」或称：「非逆贼欲抚，乃败事之孙元化欲抚也；亦不独孙元化欲抚，乃左右护庇元化者之皆欲抚也。 」前述的毕、刘、王等官员均为山东籍，其主剿的重要原因应均是痛心乡里遭叛军荼毒至惨。
五月初八日，原天津兵备道朱大典奉命巡抚山东，驻青州调度。由于先后参与剿贼的大将已有天津总兵王洪、保定总兵刘国柱、通州总兵杨御蕃、蓟门总兵邓玘、登州总兵吴安邦、昌平总兵陈洪范、东江总兵黄龙以及义勇总兵刘泽清，但均无能奏功，且叛军尝私语曰：「杀山东兵如刈菜，无奈我何！各镇兵咸非吾敌，惟虑关外兵耳。 」刘重庆以及王万象乃于六月初五日同时疏请调派关外的精锐入援。
初九日，谕旨乃调山海关及宁远等地的夷、汉精锐四千八百余人入关，由太监高起潜监护军饷，总兵金国奇为帅，下辖靳国臣、祖大弼、祖宽、张韬、吴襄、吴三桂（1612-1678）等名将。其中由投诚的满洲等少数民族所组成的夷丁部队，是首度深入内地，其战斗力特强。叛军或听闻此一新发展，乃经由屈宜扬表示愿受抚，刘宇烈在将此一情形上奏后，奉旨一方面「励集援师，亟解莱围」，另一方面，如叛军确实真心输诚，应命其提出自赎之道，刘氏遂令孔有德立解莱城之围以示诚意。
七月初二日，叛军声言抚事已成，两军不必放炮，为取得官军的信任，孔有德还将一名试炮的部下割耳游营。初五日，刘宇烈差官赍圣旨至孔营，有德要求面见谢琏始定解围和开读圣旨之期。初七日，在莱州城外宣旨之后，朱万年竟遭诱杀，谢琏亦被执。初十日，东抚朱大典和新任之山东巡按谢三宾奉命速赴行间督诸将进剿。二十二日，叛将陈有时在攻平度时被杀。二十三日，震怒之崇祯帝将孙元化和张焘弃市，宋光兰以及王征遣戍，熊明遇则解任听勘，并且派人拿解刘宇烈至京究问。
崇祯五年八月十三日，朱大典等在昌邑誓师，合二万一千名马步兵，分三路进军。十九日，在距莱城五十里外的沙河发生会战，叛军大败东遁，莱州之围遂解。是役虽捷，但杀敌不多，惟叛军撤回登州者亦不及十分之三，其余均乘机四散逃逸，在当时所掳获的兵籍簿上列有叛军共九万余人，知此乱的规模实非等闲。而遭围城逾半年的莱州之役成功牵制了叛军主力，令其无法流窜它处，应是敉平吴桥兵变的转捩点。
吴桥之变过程中双方所动用的火炮规模，是中国战场上前所未见的。如崇祯五年正月，总兵杨御蕃与叛军在新城镇进行野战，叛军即动用了红夷大炮五门和大将军三百余门；而杨军亦配置有三十余门大炮，惟其中二十四门竟然膛炸，可知当时许多明军仍不十分熟悉新式火炮的操作技巧，此一状况直到五年二月彭有谟率三百名川兵入援后始有改善。彭氏的火炮知识可能源出曾同样驻守旅顺之张焘，他首先列出各种火炮所应用硝、黄和灰的比例，次将火药每斤以纸作一包，避免忙中生错。由于守城时炮口偶需朝下发射，彭氏还要求炮手在放入炮弹之后，以废纸或旧絮、旧毯塞紧，如此，便无坠脱之虞。当时莱州库中仍有万历年间收贮的硝黄约数万斤，但因炮弹每天消耗甚大，知府朱万年遂于三月下旬开始在城内募集以数千斤计之金属，最多时有工匠五十多人负责铸弹，但因铁不足，有时亦铸铜弹，通常仅足一日之用。另一方面，虽然石弹不能「透木、及远」，仍令石工继续削圆石备用。五年二月，叛军也曾以牛车从登州运红夷大炮八门至莱州围城，每门皆重二、三千斤，各用牛四头；其所用的铁子（即炮弹）大者如升、小者如拳，重从六至十二斤不等，知各炮的口径约在十至十二公分间。虽然这些炮相当沉重，但叛军对搬运似游刃有余，他们当时应已熟稔西方传入的省力滑轮技术，此因在登州担任监军的王征，早于天启七年出版的《远西奇器图说录最》中，即图文并茂地详记举重物之法。
五年八月二十日，李九成闻莱州兵败后，遂将软禁于登州的谢琏杀害。三十日，官兵进抵距黄县二十里的白马塘，叛军倾巢来战，号称十万之众，其中包含马兵万骑；是役，叛军再度惨败，有一万三千人被斩，八百人被俘，至于逃散以及坠海而死者，不下数万。
九月初一日，明军各路俱至登州开始围城。登州三面环山，北面向海，为避免遭敌夜袭，明军乃以数日的时间构筑一道长达三十里之围墙，其高如城，东西两端俱抵海。由陈洪范、刘泽清率步兵守西墙，吴襄、靳国臣等率骑兵接应；刘良佐、邓玘等率步兵守南墙，金国奇、祖大弼等率骑兵接应；牟文绶等率步兵守东墙，祖宽、张韬等率骑兵接应。由于叛军拥有二十几门红夷大炮，且李九成素负骁健，常出城搏战，双方往往以数千马步军配合火炮进行大规模野战，互有胜负。因城上的火炮威力强大，且防守森严（如城中衢路不许辽人以外者任意行走，违者斩之；又，每垛夜间均以五人防守，按更轮替，传箭警睡；不时还缒人至城外夜巡），明军数次攻城俱无结果，遂决定采行紧守坐困的策略。
十二月初三日，李九成率叛兵出战时殁于阵，改由王子登替代，因九成勇谋均甚于孔有德，且叛变过程主要的攻守战役多由他与陈有时担任前锋，素为辽人所推戴，叛军士气于是大受打击。六年正月，高起潜在挂榜山（今蓬莱市城南）新筑铳城，并用红夷大炮轰击城内，令叛兵胆寒，明廷于是决定自北京再赶运四、五门大炮。由于城中日益乏食，孔有德乃于六年二月十三日乘船自海上遁去，殿后的耿仲明和毛承禄则于十六日潜逃。十八日，官兵攻下水城，叛军被俘者千余人，自缢及投海而死者四、五千；至此，始完全收复山东。
影响
此乱平定后，部分皮岛旧将又与新任东江总兵黄龙发生矛盾，东江军内部分裂，许多人先后离开辽东。孙元化接收了在上述多次动乱中陆续离开辽东的孔有德、耿仲明、李九成、李应元诸将。孔有德被任命为参将，耿仲明则被派往登州要塞任游击。
