四月十三日晨，大順軍由北京向山海關(guān)進(jìn)發(fā)。行至三河縣遇到了吳三桂派來的使者，謊稱吳三桂仍愿意投誠，請求緩師。在這關(guān)鍵時刻，李自成又一次受騙了，他派明朝降官密云巡撫王則堯以兵政府尚書的官銜去山海關(guān)同吳三桂談判，隨即放慢了進(jìn)軍速度。從北京到山海關(guān)大約五天可達(dá)，大順軍卻在八天之后即四月二十日才進(jìn)抵關(guān)西。這時，才知道王則堯已被拘押，吳三桂和高第的軍隊在關(guān)內(nèi)沿石河一線做好了作戰(zhàn)準(zhǔn)備，除了武力解決，沒有招降余地了。四月二十一日上午辰時（約為八時），山海關(guān)戰(zhàn)役開始。李自成為了全殲關(guān)遼兵，防止吳三桂部被擊敗后引殘部出關(guān)降清，作出用兵部署：把主力放在石河西，另外派遣部分軍隊包抄至關(guān)內(nèi)外，進(jìn)攻山海關(guān)的東羅城、西羅城、北翼城。雙方激戰(zhàn)一晝夜，到二十二日上午吳三桂軍已有不支之勢，據(jù)守北翼城的一支吳軍向大順軍投降。吳三桂見情況危急，親自帶領(lǐng)部分兵馬和當(dāng)?shù)剜l(xiāng)紳沖出關(guān)門，請清軍立即參戰(zhàn)。多爾袞統(tǒng)率的清軍二十一日晚駐營距關(guān)城十里，二十二日晨進(jìn)至離關(guān)城僅二里的威遠(yuǎn)臺（在名叫歡喜嶺的小丘陵上，今名威遠(yuǎn)城，實誤）觀戰(zhàn)。經(jīng)過幾天的使者往返和親身考察，多爾袞對吳三桂的處境和降清誠意已洞然于心。吳三桂到后當(dāng)即“賜坐賜茶，面諭關(guān)門為第一功”。他對吳三桂等官紳說道：“汝等愿為故主復(fù)仇，大義可嘉。予領(lǐng)兵來成全其美。先帝時事，在今日不必言，亦不忍言。但昔為敵國，今為一家。我兵進(jìn)關(guān)，若動人一株草、一顆粒，定以軍法處死。汝等分諭大小居民勿得驚慌?！苯又址愿绤侨穑骸盃柣?，可令爾兵以白布系肩為號。不然，同系漢人，以何為辨？恐致誤殺?！闭f完，讓吳三桂立即回關(guān)準(zhǔn)備接應(yīng)，同時下令清軍從南水門、北水門、關(guān)中門三路進(jìn)關(guān)。

清兵進(jìn)關(guān)后，見大順軍從北山至海邊排列成一字長蛇陣，多爾袞即令清軍沿近海處鱗次布列，吳三桂軍排列于清軍的右邊，采取重點突破戰(zhàn)術(shù)。這時正值大風(fēng)揚塵，能見度很低，清軍得以從容布陣。少頃，風(fēng)止，多爾袞一聲令下，清軍呼嘯出擊，萬馬奔騰，飛矢如蝗。大順軍雖拼死抵抗，但強弱易形，兵員同吳三桂軍已鏖戰(zhàn)一晝夜，面對以逸待勞的清軍很快就被擊敗，陣容大亂，大將劉宗敏也負(fù)了傷。李自成立馬小崗阜上見敗局已定，下令急速撤退。行至永平府范家店時，李自成決定將吳襄處斬。二十六日，回到北京，又殺吳三桂家屬三十四口，可見李自成對吳三桂的勾引清兵、叛變欺詐極為痛恨。而吳三桂卻在山海關(guān)戰(zhàn)役剛剛結(jié)束就率領(lǐng)關(guān)遼軍民剃發(fā)降清，由多爾袞承制封為平西王。

山海關(guān)戰(zhàn)役是明清之際直接影響全國局勢發(fā)展的一場關(guān)鍵性戰(zhàn)役，對于推翻明朝后究竟是大順朝廷還是清朝廷統(tǒng)治全國關(guān)系重大。戰(zhàn)役的結(jié)果是清勝順敗，根本原因在于李自成等大順軍領(lǐng)導(dǎo)人目光短淺，政策和戰(zhàn)略上犯了一系列重大錯誤。山海關(guān)戰(zhàn)役的意義標(biāo)志著：一、大順軍的歷史使命從此由推翻明王朝轉(zhuǎn)變?yōu)榭骨宥窢?；二、清廷統(tǒng)治者夢寐以求的入主中原邁出了關(guān)鍵的一步；三、以吳三桂為倡首在漢族官紳中迅速形成了一股不可忽視的擁清派。