李自成为了全歼关辽兵，防止吴三桂部被击败后引残部出关降清，作出用兵部署：把主力放在石河西，另外派遣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。

旌旗蔽日杀声震天，千军万马往来冲突，生死鏖战，双方激战一昼夜，到二十二日上午吴三桂军已有不支之势，据守北翼城的一支吴军向大顺军投降。

吴三桂见情况危急，亲自带领部分兵马和当地乡绅冲出关门，请清军立即参战。

多尔衮统率的清军二十一日晚驻营距关城十里，二十二日晨进至离关城仅二里的威远台观战。

经过几天的使者往返和亲身考察，多尔衮对吴三桂的处境和降清诚意已洞然于心。吴三桂到后当即赐坐赐茶，面谕关门为第一功。

他对吴三桂等官绅说道，“汝等愿为故主复仇，大义可嘉。予领兵来成全其美。但昔为敌国、今为一家。我兵进关，若动人一株草、一颗粒，定以军法处死，汝等分谕大小居民勿得惊慌。”

接着，多尔衮又吩咐吴三桂，让他回去，令部下以白布裹肩以分辨敌我，同时下令清军从南水门、北水门、关中门三路进关。

清兵进关后，见大顺军从北山至海边排列成一字长蛇阵，多尔衮即令清军沿近海处鳞次布列，吴三桂军排列于清军的右边，采取重点突破战术。

这时正值大风扬尘，能见度很低，清军得以从容布阵。少顷，风止，多尔衮一声令下，清军呼啸出击，万马奔腾，飞矢如蝗，无数的骑兵步兵猛烈地撞击在一起。

战场中间，战马奔驰时激起来的泥土铺天盖地，呛人的血腥味和土腥味萦绕在鼻间，挥之不去。

敌对的双方士卒，拼命将手中的兵器向对方刺去、砍去、劈去，地上满是死伤的将士，甲胄碎裂、鲜血喷涌。

大顺军虽拼死抵抗，但强弱易形，部队同吴三桂军已鏖战一昼夜，面对以逸待劳的清军很快就被击败，阵容大乱，大将刘宗敏也负了伤。

李自成见败局已定，下令急速撤退。行至永平府范家店时，李自成下令将吴襄处斩。

二十六日，李自成回到北京，又杀吴三桂家属三十四口。

另一面，吴三桂在山海关战役刚刚结束就率领关辽军民剃发降清，由多尔衮承制，封为平西王。

大顺军败回北京以后，李自成考虑过据守北京，二十七、二十八两日采取了备战措施，责令军民火速拆除城外羊马墙及护城河旁房屋。

但是，经过斟酌，大顺政权终于决定放弃北京，主动西撤。

这是因为他们在京畿地区不可能集中一支足以固守待援的兵力，跟踪而来的清军一旦围城，大顺军的核心人物就可能成为瓮中之鳖。

加之城内居民亲眼看到顺军败阵而回的狼狈，讹言四起，潜在之敌对势力也待衅而动。

在这种形势下，李自成断然决定二十九日在北京举行即位典礼，然后立即率部西撤。撤兵前，在牛金星建议下，李自成下令放火焚毁明宫殿和各门城楼。

清军在山海关地区作了短暂的休整，即向北京进发。