孫傳庭自柿園之役敗歸陝西后，到處招兵買馬、發展生產、置辦武器，經過大半年的努力，陝西官軍實力有顯著增長。孫傳庭還發明瞭一種戰車，上面裝載火炮，車廂裡存放士兵的衣服和糧食，名叫火車。這種火車共打造了二萬輛，組成一個火車營，由總兵白廣恩統領。五月，崇禎命孫傳庭兼督河南、四川軍務，不久又封他為兵部尚書，改稱督師，加督山西、湖廣、貴州及江南、北軍務，並賜予尚方寶劍。八月，在崇禎的一再催促下，孫傳庭在西安關帝廟誓師，統率總兵白廣恩、高傑、牛成虎等部十萬眾東出潼關，同時檄調各路人馬夾攻李自成。李自成得知陝西官軍出關的消息，親統大軍北上河南迎敵。由於河南境內赤地千里，缺少糧草，李自成採取了誘敵深入的戰略，把主力部隊部署在郟縣以南的地區，把後勤問題留給長途跋涉的官軍。
由於民軍放棄了潼關到郟縣的廣闊地帶，陝西官軍一路上“勢如破竹”，八月上旬佔領洛陽，九月八日攻佔汝州，民軍督尉四天王李養純投降。李養純的投降後向官軍洩露秘密，給民軍帶來很大損失，他報告說：民軍的老營在唐縣，精銳部隊在襄城，地方上任職的文武官員屯聚在寶豐。孫傳庭根據這個情報採取了有針對性的行動，首先攻破寶豐，斬偽州牧陳可新等，然後揮師唐縣，將安置在那裡的民軍家屬斬殺殆盡。九月十四日，官軍和民軍主力在郟縣進行激戰，民軍戰敗逃跑，官軍緊追不捨，果毅將軍謝君友被俘殺，李自成本人也差點被擒。後來民軍逃入襄城，官軍也尾隨而至。面對危局，一些民軍將士產生的投降的念頭。這時大雨整整下了七天，城外露舍的官軍苦不堪言，由於道路泥濘，官軍的糧車難以移動，官軍的後勤出現問題。官軍希望破郟縣獲取給養，但是郟縣早己坐吃山空，破城後只得到一些騾馬，很快就被士兵們分食殆盡。這時李自成派大將劉宗敏率一萬名騎兵從小路抄到官軍後方，切斷官軍的糧道，為了麻痺官軍，李自成用大牌寫下戰書，約定日期同官軍決戰，以此牽拌官軍。
士兵們有雨淋沒飯吃，情緒開始浮躁起來，孫傳庭無奈之下，只好決定回師迎糧，他命令河南總兵陳永福留守軍營，自己統率嫡系陝西官軍分路回師打通糧道。陳永福部下士兵看到陝西官軍走了，自己卻被留下來忍飢挨餓充當替死鬼，都憤憤不平，也都跟在陝西官軍後面撤退（前軍移，後軍亂），陳永福無法控制局面（永福斬之不能止），官軍隊伍大亂，民軍乘機發起進攻，官軍全線崩潰。官軍逃到南陽才緩過神來，調頭迎戰民軍，雙方展開大戰。民軍戰陣共有五重，第一重是饑民，第二重是步兵，第三重是騎兵，第四重是精銳騎兵，第五重是家屬。
官軍攻破了民軍前三重戰陣，與第四重戰陣的精騎相持不下，鏖戰中，白廣恩部火車營招架不住，率先潰敗。火車營的潰敗引發連鎖反應，騎兵也招架不住逃跑，戰場形勢瞬間發生鉅變，由雙方互相廝殺變為一方追殺另一方。民軍傾巢而出，窮追不捨，一日一夜追殺四百餘里，官軍死亡四萬餘人，損失兵器輜重數十萬。此役，大明僅有的“一副家當”損失殆盡，成了待宰的羔羊，民軍的戰略問題也迎刃而解，擴大戰果，乘勢奪取關中。
汝州之戰和松錦大戰一樣，都是決定明朝命運的戰略決戰，在這兩場戰役中，明軍並非沒有機會，但是由於種種原因，最終歸於失敗。
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