4月15日，清军行至翁后，遇到吴三桂的使者携带求援书信来见多尔衮，信中以明朝孤臣的名义乞求清廷出兵，多尔衮回信许诺吴三桂晋封藩王，招降吴三桂。到吴三桂得知李自成亲率大顺军主力迫近山海关，急忙再派手下催促清军“速整虎旅，直入山海”。多尔衮接信知道形势急迫，为了防止大顺军占领山海关，下令兼程前进。4月21日，清军急行军，日行二百里，于当晚抵达距关城十里之处扎营。此时，大顺军与吴三桂，高第所部关，辽兵正在激战之中。
当时山海关参战各方兵力如下：大顺军李自成，刘宗敏所率兵马约有十万；吴三桂，高第所部关，辽兵马合计五万；清军多尔衮所统率的满，蒙，汉兵员大约七八万人。在这三支军队中，清军战斗力最强；吴三桂所部是原明朝官军中的精锐，职业军人；大顺军是1641年后迅速扩展起来的队伍，大部分兵员素质不如清军，但他们是一股新兴势力，赋有朝气和战斗意志，不像明朝官军般腐败。大顺军人数占优，具有绰绰有余的击破吴三桂军的力量，但介于顺，清之间的吴三桂部具有举足轻重之第三方力量，投降大顺则加持李自成的兵力，人数可达清兵一倍，山海关要隘不至于守不住，即便同清军作战局部失利，大顺可征调的增援兵力也远远大于清廷；可是吴三桂降清，双方兵力和态势就一边倒倾向清方，清，吴联军在数量和质量上都占据了上风。
4月13日晨，大顺军由北京向山海关进发。行至三河县遇到吴三桂派来的使者，谎称吴三桂仍愿意投降大顺，请求缓师。李自成上当受骗，他派明朝降官去山海关同吴三桂谈判，大军则放慢了进军速度。从北京到山海关原本五天可达距离，大顺军却用了整整八天，到4月20日才抵达关西。抵达之后李自成才知道所派谈判官员已被吴三桂拘押，吴三桂和高第的军队已在关内沿石河一线做好了应战部署，此时，除了武力解决，没有招降余地了。
4月21日上午辰时（约为早上八点），山海关战役开打。李自成为了全歼关，辽兵马，防止吴三桂部被击败后引残部出关降清，作出部署，把主力置于石河西，另派部分军队包抄至关内外，进攻山海关的东罗城，西罗城，北翼城。双方激战一昼夜，到22日上午，吴三桂军支持不住，据守北翼城的一支吴军向大顺军投降。吴三桂见情况危急，亲率少数人马冲出关门，请求清军立即参战。多尔衮率清军21日晚驻扎在距关城十里处，22日晨进兵到离关城仅两里的威远台观战。经过几天的使者往返和悉心考察，多尔衮对吴三桂的处境和降清诚意已经了然于胸。吴三桂到后多尔衮当即赐坐赐茶，勉励嘉奖吴三桂献山海关之功，多尔衮与吴三桂约定让吴兵用白布缠绕手臂做记号以免被清军误伤，然后让吴三桂立即回关准备接应，同时下令清军从南水门，北水门，关中门三路进关。
清军进关后，看到大顺军从北山至海边排列成一字长蛇阵，多尔衮立即命令清军沿近海处鳞次布阵，吴三桂军排列于清军的右边，采取重点突破战术。当时正值起大风，尘土飞扬，能见度低，清军因而得以从容布阵。少顷，风停，多尔衮一声令下，清军呼啸而出，万马奔腾，飞矢如蝗。大顺军虽然拼死抵抗，但强弱易势，大顺军与吴三桂军已经鏖战一昼夜，面对以逸待劳的清军生力军很快就难以抵挡，阵容大乱，大将刘宗敏也负了伤。李自成在小冈阜上观战，看到败局已定，急忙下令撤退。行至永平府范家店，李自成将吴三桂父吴襄处斩。26日，回到北京，又杀了吴三桂家属三十四口。可见李自成对于吴三桂勾领清军，叛变欺诈痛恨之极。吴三桂则在山海关战役刚结束，就率领关，辽军民剃发降清，被多尔衮封为平西王。
山海关战役是明清之际影响全国局势发展的一场关键战役，对于明朝覆灭后由大顺朝廷还是清廷统治全国关系重大。战役的结果是清廷胜利，大顺军失败，根本原因是李自成在政策和战略上犯了重大错误。山海关战役后，大顺军的历史使命由推翻明王朝转为抗清斗争。清廷则迈出了入主中原的关键一步。而以吴三桂为首的汉族官绅则迅速形成了一股庞大的拥清派。（待续）
