李自成对清军情况不明，行动迟缓，四月二十一日才抵达山海关下，在石河西岸与吴三桂部成对峙之势。同日，李自成的大顺军与吴三桂于一片石、西罗城进行恶战，甫开战吴军小胜于西罗城，接着李自成军猛攻东罗、北翼二城。

当晚，清军进至山海关外15里处一线集结。山海关北依角山，南傍渤海，城高墙坚，外筑罗城、翼城互为犄角，易守难攻。守军除吴三桂部外，还有山海关总兵高第部一万、乡勇约三万人。李自成抵关当日，向吴三桂发出逼降通牒，遭拒绝后，一面令唐通、白广恩部近二万人从一片石（今辽宁绥中九门口）出边立营，断吴三桂退路，一面以主力六万分别对西罗、北翼和东罗城猛攻。吴三桂以主力列阵于西罗城石河以西一线，阻止大顺军攻关。双方激战于西罗城附近，守军为摆脱困境，诈降诱大顺军数千人抵近城垣，在城上突发火炮。大顺军死伤甚众，被迫后撤。在北翼城，大顺军利用居高临下地形，猛攻城垣，激战至翌日黎明，迫守军一部投降。但因其他各城未下，大顺军未能进据罗城。二十一日夜，唐通部在一片石被清军击败，余众退入关内。

阴历四月二十二日清晨，清军进至离山海关城仅二里，吴三桂见情势危急，率轻骑寥寥数员冲出重围、飞奔至关城东二里的威远堡清军营垒，跪降于多尔衮。多尔衮当即“赐坐赐茶，面谕关门为第一功”，吴三桂表示：“倘若清军不愿助山海关明军，我也不愿返回山海关督战，李自成大军必在攻陷山海关后，一鼓作气攻向清军！”云云；多尔衮见吴三桂归顺非诈，接受吴三桂的请求，多尔衮令吴三桂按满洲习俗剃头，许诺将皇太极女建宁公主嫁给吴子吴应熊。并偕和硕英郡王阿济格、多罗郡王多铎率劲旅八万，分别从南水门、北水门、关中门进入关内，令吴三桂部系以白布为号任前锋。

阴历四月二十三日辰时（上午8点）以前，吴三桂军渐难支撑，据守北翼城的一支吴三桂军向大顺军投降，多尔衮在欢喜岭的威远台上观战，下令清军从南水门、北水门、关中门三路进关。

大顺军因攻坚一昼夜未能夺关，乃改取野战，自角山至渤海投入全部兵力，布一字长蛇阵，成决战架势。

经一日激战，多尔衮已知大顺军虚实，遂采用以逸待劳、后发制人的慎战之策，欲待大顺军与吴三桂部连战疲惫时，突出奇兵，一举取胜。

多尔衮以吴三桂部为右翼迎战，重兵则鳞次列阵于渤海滨大顺军阵尾薄弱处，待机出击，并告诫各部不得急进。大顺军不明清军意图，仍按原计划向吴三桂军紧逼，令旗左右挥动，来回冲杀。吴三桂因有清军压阵，顽强抵御。

此时大风突起，扬尘蔽天，不利于不熟悉山海关地理的大顺军，双方展开肉搏，大顺军不顾伤亡，把吴三桂部团团围住，血战至中午，双方均已疲惫，损失甚众。

多尔衮见势，急令阿济格、多铎各率2万精骑，乘风势、挥白旗，对阵直冲大顺军。万马奔腾，飞矢如蝗，大风渐止，疲惫的大顺军见清军骤至，猝不及防，阵脚渐乱，伤亡惨重。未尾申时初（15点后），李自成的大顺军溃败，刘宗敏中箭伤，大顺军死者数万；牛金星在北京未领军前来支援李自成，也是大顺军败战原因之一。

李自成立马小岗阜上督战，有一僧人跪在他的马前说：“执白旗的骑兵不是关宁兵，必是满洲兵，大王赶快回避。”李自成见败局已定，急令余部且战且向永平方向撤退。当天，多尔衮封吴三桂为平西王，命他作先导，一路追杀，直扑京城。

当清军追至范家店，李自成杀吴襄以泄忿，并将他的首级悬挂在高竿上示众，回师京城后又杀了吴家老少三十八口。阴历四月二十九日，李自成在北京称帝，次日，李自成离开北京，向西安撤退。前后仅四十二天。

在清军于1644年阳历6月6日进入北京之后，将都城从盛京迁往北京。

此战，李自成大顺军对清军入关助战毫无准备，同时缺乏对清军骑兵作战的经验，终为清军所乘，精锐遭受重创，未能再起。清军乘势占领北京，取得全国政权。