公元1644年四月十三日，李自成亲率大军向山海关方向进发，京师由丞相牛金星和李过留守。李自成在以大军对吴三桂进行征讨的同时，他也没有放弃招降吴三桂的最后一线希望。
为此，他除了让吴襄随行以外，还带上太子朱慈烔和太子的两个弟弟，另外还有在西安和太原俘获的秦王和晋王。
李自成的用意很明显：带上吴襄，想借以消除吴三桂的误会，用他们的父子之情使吴三桂回心转意；带上太子和明宗室的几个藩王，表明这些人仍受到诸多优待，可以打消吴三桂为故主复仇的口实。
这样，你吴三桂为孝子乎？为救你的父亲也应该归降；你吴三桂为忠臣乎？太子仍健在。再加上李自成的几十万大军形成的威慑，李自成觉得招降仍可以成功。但是，尽管李自成用心良苦，作了这么周密的准备，这次招降活动还是失败了。
当时，吴三桂部下大约有五万兵马，关外有血气方刚的满清政权，关内是新建的大顺政权，自己处在两大势力的夹缝之中。
他不可能两面作战，也没有力量两面作战，既然已经与李自成的大顺政权彻底决裂，那么他势必要倒向满清一边。
吴三桂派副将杨坤和游击郭云龙向清帝请求救援，其书信中说：“流贼逆天犯阙，僭称尊号，罪恶已极，天下共愤。三桂受国厚恩，欲兴师问罪，奈力弗敌。爰泣血求助，乞王速整旅入关，与三桂合兵，直抵都城，扫除虐焰，昭示大义。此千载一时也。”
因顺治帝年幼，这时由睿亲王多尔衮任摄政王。多尔衮见书后当即答应进兵，并说，吴三桂若“诚率众来归，当裂土封王。”
实际上，多尔衮在得知李自成占领北京的消息后，即马上准备整兵入关。大学士范文程建议多尔衮马上“进取中原”，这是天赐良机，正如：“秦失其鹿，楚汉逐之”一样。
于是，顺治帝赐多尔衮大将军印，带领洪承畴等人“往定中原”。
多尔衮认为：“成败之判，在此一举”，故以倾国之兵前行，“男丁七十以下，十岁以上，无不从军。”半路上又接到吴三桂求助的书信，这真是天赐良机，使多尔衮喜出望外，遂火速向山海关挺进。
吴三桂得到多尔衮的回书，也壮了胆，决定与李自成大战一场。
李自成的大军于四月十七日到达永平，二十一日到达山海关，遂立即投入了战斗。山海关号称“天下第一关”，地势险要，军事设施齐全。
以前清兵数次内犯，都未经山海关，而是绕道南下。山海关四周分别有四个小城：东罗城、西罗城、南翼城、北翼城。李自成自恃人多势众，对山海关实施三面围攻，唯留南翼城未围。这是因为南翼城紧靠大海，城墙在著名的老龙头处一直延伸到海中，敌人无法从这里逃跑。
李自成和吴三桂两军首先在西罗城展开激战。双方从早晨战至中午，吴三桂的军队明显处于劣势，西罗城差一点未被大顺军攻占，只是赖一支炮兵赶到，突然向大顺军展开猛烈炮击，才稳住了阵脚。
到二十二日早晨，驻守北翼城的吴军抵挡不住大顺军的猛攻，已向大顺军投降。吴军百计防守，险象丛生，大有全线崩溃之势。在此危急关头，清军突然参战，从而使战局为之一变。
正当李、吴两军激战之时，多尔衮率清军驻扎在欢喜岭，“以觇动静”。多尔衮遣使者到吴三桂营中察看，吴三桂则遣使者催促多尔衮急速进军。
多尔衮对吴三桂犹未深信，吴三桂的使者连续三次来请，多尔衮才基本上消除了疑虑，但清兵仍未即行。
多尔衮的用意也很清楚，他要等双方精疲力尽时坐收渔翁之利。他每时每刻都密切注视着战况的发展。吴三桂“遣使者相望于道，凡往返八次，而全军始至，共十四万骑”。
多尔衮这时也感到火候已到，如再不进军，吴军就可能全线崩溃，因而便倾全力投入战斗。
吴军以三根白布条为标记。“三”，意即三桂的军士；用白色，为缟素之意，即为崇祯皇帝致哀。二十二日，正当李、吴二军在一片石激战时，多尔衮率数万铁骑突然杀出，锐不可挡。
一片石在山海关东北方向，距关约二十里，唐通被吴三桂击溃后，即率残部驻扎于此。清兵首先将唐通军击溃，接着以“风发潮涌”之势，所到之处，无不披靡。
清兵的突然参战大出李自成意料之外。李自成这时正在高岗上观战，太子朱慈烔也在身边。
有人告诉李自成：“此非吴兵，必东兵也，宜急避之。”
清兵突破大顺军的防线后，吴军的士气大增，也发起反击。刘宗敏虽勇冠三军，顽强督战，这时也无法挽回颓败之势。他本人也被流矢击中，受了重伤，不久便身亡。
李自成见败局已定，遂急命撤军。
山海关之役是明末三大军事力量同时参与的一次大会战，也是决定大顺政权命运的一次决定性战役，在某种意义上它也改变了中国历史的命运：大清政权代替了大顺政权。
李自成几乎在兵不血刃的情况下夺占了京师，许多地方传檄而定，这使他产生了某种骄傲和轻敌思想。
他这次东征只带五六万兵马。“声言十万”，只是为了故意张扬声势，以威慑对方。
加上唐通的八千士兵和白广恩的两万人马，投入山海关之役的大顺军实际人数不足10万。
吴三桂部下有5万兵马，清兵14万，合在一起近20万众，大体是大顺军兵马的两倍。由此可以看出，当时双方的兵力对比就有极大的悬殊，李自成失败也就不难理解了。
在这关键时刻的一次关键性战役中，李自成在战略和策略上都有一连串的失误。吴襄被拷掠和陈圆圆被夺占且不说，首先对清兵就缺乏足够的重视。实际情况是，即使吴三桂不投降清兵，满清贵族也一定要参与这场中原逐鹿的争夺，并在吴三桂降清以前就开始行动了。因此，当清兵突然参战时，大顺军马上陷于一片慌乱。
另外，李自成对山海关的极度重要性认识不足。当时，山海关已成为三大政治军事集团矛盾的交汇口，局面随时都可能发生变化。除了一些偶然的因素起作用外，更主要的是各方实力的较量。
但李自成是怎么对待的呢？他只派唐通率他的原部约八千人前去山海关接防，后虽派白广恩率二万人前往接援，但白广恩驻守永平，未到山海关。即使这二万人马到了山海关，力量仍然是很单薄的。
李自成派往关上的左懋泰和张若麒，都是李自成入京后的明廷降臣。这不能不使人感到，李自成对山海关的形势太掉以轻心。
正因如此，当吴三桂的政治态度突然变化时，大顺政权在山海关的官兵完全没有应变能力，致使李自成不得不亲自东征。当清兵突然参战时，李自成又惊慌失措，一败而不可收拾。
李自成退至永平时，将吴襄杀于永平城西约20里处的范家庄。李自成回京后，将吴三桂家人三十余口尽杀于“王府二条胡同”。
令人感到奇怪的是，陈圆圆却没有被杀。原来，她是一个颇有心计的女子，向李自成表示，自己死不足惜，“妾为大王计，宜窗妾缓敌，当说彼（吴三桂）不追，以报王之恩遇也。”
陈圆圆竟侥幸地活了下来，后来又投入了吴三桂的怀抱。
