吳三桂率兵四萬原駐守寧遠（今遼寧興城），阻止清軍徑入山海關。在大順軍直逼京畿時，吳三桂奉命率兵進關入衛京師，行抵豐潤（今屬河北），聞京師已破，崇禎帝朱由檢自縊，遂折返山海關。李自成乃令明降將唐通領兵八千赴山海關招降。吳三桂反覆思慮後決意歸順，率軍離山海關進京，行至永平（今盧龍）西沙河驛時，遇從北京逃出的家人，得知父吳襄在京遭農民軍拷掠，愛妾陳圓圓被奪佔，於是頓改初衷，打著為崇禎帝復仇旗號，拒降李自成，還師山海關，襲擊唐通部。
李自成聞訊，即召文武大臣商討對策，確定徵撫兼施。在唐通一再告急求援時，李自成於四月十三命權將軍劉宗敏等率兵約十萬（一說六萬）向山海關進發。為爭取吳三桂，攜明朝太子朱慈烺和吳襄隨軍同行。吳三桂料不能敵，遂遣使致書多爾袞求援。清軍在翁後（在今遼寧阜新境）遇吳三桂使者，遂改道從連山（在今葫蘆島市境）、寧遠一線日夜兼程，疾趨山海關。清兵自四月初九出發，四月二十日，清兵抵連山（今葫蘆島市連山區），吳三桂一再催兵，清兵知李自成軍迫近山海關，日夜急行，一日夜疾行二百餘里，共行軍十三日。
李自成對清軍情況不明，行動遲緩，四月二十一日才抵達山海關下，在石河西岸與吳三桂部成對峙之勢。同日，李自成的大順軍與吳三桂於一片石、西羅城進行惡戰，甫開戰吳軍小勝於西羅城，接著李自成軍猛攻東羅、北翼二城。
當晚，清軍進至山海關外15裡處一線集結。山海關北依角山，南傍渤海， 城高牆堅， 外築羅城、翼城互為犄角，易守難攻。守軍除吳三桂部外，還有山海關總兵高第部一萬、鄉勇約三萬人。李自成抵關當日，向吳三桂發出逼降通牒，遭拒絕後，一面令唐通、白廣恩部近二萬人從一片石（今遼寧綏中九門口）出邊立營，斷吳三桂退路，一面以主力六萬分別對西羅、北翼和東羅城猛攻。
吳三桂以主力列陣於西羅城石河以西一線，阻止大順軍攻關。雙方激戰於西羅城附近，守軍為擺脫困境，詐降誘大順軍數千人抵近城垣，在城上突發火炮。大順軍死傷甚眾，被迫後撤。在北翼城，大順軍利用居高臨下地形，猛攻城垣，激戰至翌日黎明，迫守軍一部投降。但因其他各城未下，大順軍未能進據羅城。二十一日夜，唐通部在一片石被清軍擊敗，餘眾退入關內。經一日激戰，多爾袞已知大順軍虛實，遂採用以逸待勞、後發制人的慎戰之策，欲待大順軍與吳三桂部連戰疲憊時，突出奇兵，一舉取勝。
陰曆四月二十二日清晨，清軍進至離山海關城僅二里，吳三桂見情勢危急，率輕騎寥寥數員衝出重圍、飛奔至關城東二里的威遠堡清軍營壘，跪降於多爾袞。多爾袞當即“賜坐賜茶，面諭關門為第一功”，吳三桂表示：“倘若清軍不願助山海關明軍，我也不願返回山海關督戰，李自成大軍必在攻陷山海關後，一鼓作氣攻向清軍！”云云；多爾袞見吳三桂歸順非詐，接受吳三桂的請求，多爾袞令吳三桂按滿洲習俗剃頭，許諾將皇太極女建寧公主嫁給吳子吳應熊。並偕和碩英郡王阿濟格、多羅郡王多鐸率勁旅八萬，分別從南水門、北水門、關中門進入關內，令吳三桂部系以白布為號任前鋒。
陰曆四月二十三日辰時（上午8點）以前，吳三桂軍漸難支撐，據守北翼城的一支吳三桂軍向大順軍投降，多爾袞在歡喜嶺的威遠臺上觀戰，下令清軍從南水門、北水門、關中門三路進關。
大順軍因攻堅一晝夜未能奪關，乃改取野戰，自角山至渤海投入全部兵力，布一字長蛇陣，成決戰架勢。多爾袞以吳三桂部為右翼迎戰，重兵則鱗次列陣於渤海濱大順軍陣尾薄弱處，待機出擊，並告誡各部不得急進。大順軍不明清軍意圖，仍按原計劃向吳三桂軍緊逼，令旗左右揮動，來回衝殺。吳三桂因有清軍壓陣，頑強抵禦。
此時大風突起，揚塵蔽天，不利於不熟悉山海關地理的大順軍，雙方展開肉搏，大順軍不顧傷亡，把吳三桂部團團圍住，血戰至中午，雙方均已疲憊，損失甚眾。
多爾袞見勢，急令阿濟格、多鐸各率2萬精騎，乘風勢、揮白旗，對陣直衝大順軍。萬馬奔騰，飛矢如蝗，大風漸止，疲憊的大順軍見清軍驟至，猝不及防，陣腳漸亂，傷亡慘重。未尾申時初（15點後），李自成的大順軍潰敗，劉宗敏中箭傷，大順軍死者數萬；牛金星在北京未領軍前來支援李自成，也是大順軍敗戰原因之一。
李自成立馬小崗阜上督戰，有一僧人跪在他的馬前說：“執白旗的騎兵不是關寧兵，必是滿洲兵，大王趕快回避。”李自成見敗局已定，急令餘部且戰且向永平方向撤退。當天，多爾袞封吳三桂為平西王，命他作先導，一路追殺，直撲京城。
當清軍追至范家店，李自成殺吳襄以洩忿，並將他的首級懸掛在高竿上示眾，回師京城後又殺了吳家老少三十八口。陰曆四月二十九日，李自成在北京稱帝，次日，李自成離開北京，向西安撤退。前後僅四十二天。
在清軍於1644年陽曆6月6日進入北京之後，將都城從盛京遷往北京。
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