清軍到達山海關近郊時，李自成率農民軍早先一日達到，已經和吳軍在一片石血戰了一天，一片石緊挨著山海關，但仍屬關外。吳三桂在這次戰鬥中沒有把精兵強將用上，而是抽調了五六萬“鄉勇”的兵力抵擋農民軍的進攻。其餘兵力仍然駐守在關內重要峽口。李自成過於自負，本以為不費吹灰之力就能把吳三桂打敗，佔領山海關，卻沒料到吳軍的作戰能力很強，一時竟然攻不破。但從戰斗形勢上來看，吳軍顯然已經有些不支。一片石失守退兵後，吳三桂為了保存實力，便把軍隊撤回關內，並派人火速向已經近在關前卻無動兵舉措的多爾袞乞師求援。
多爾袞在準備入關時，又突生猜疑之心，怕吳三桂聯合農民軍引誘自己入關，給自己設下一個陷阱。他與眾貝勒商議後得出結論，再靜觀其戰，窺探動靜。這時天已大亮，李自成正在調動兵馬，準備攻城。吳三桂更加焦急，無法再等下去，便率領十多名將官、數百精騎一口氣奔入清軍營地，面見多爾袞。多爾袞的後顧之憂才徹底打消掉，並且讓多爾袞歡喜的是，這次絕對是收降吳三桂的絕好時機。雙方見面，開門見山，一拍即合。吳三桂隨即剃髮稱臣，並又向多爾袞細述了當前的緊急局勢。
吳三桂說道：“農民軍目前還不知道清軍的到來，把兵力全都集中在攻打關城的前頭了，後部力量極其薄弱。我們可採取攻首尾斬其腰的戰術，打他個措手不及。”
多爾袞默認點頭，可在心裡卻又多留了一個心眼，他覺得此戰非同小可，成敗是一個關鍵。農民軍既然不知我軍前來，從這里便可尋出戰機，先讓吳三桂派兵迎戰農民軍，在打到一定程度的時候，自己再率重兵前往，一來可打他個措手不及，二來也算是以逸待勞，減少了自己兵力的損失。 “將軍對戰術上的造詣讓本王欽佩不已，由此可見只要我們兩軍聯手，農民軍必敗無疑。只不過我清軍對山海關地勢不熟，一旦動起手來勢必會吃這方面的虧，我是這樣想的……”多爾袞停頓了一下接著說道，“將軍既然駐守山海關，對山海關地勢一定很熟悉，士兵都擅長在自己統轄的區域作戰。所以將軍務必先率領所部迎擊農民軍，我再以迅雷不及掩耳之勢衝殺進來，農民軍必定會因此而大敗！”
吳三桂心裡有些不悅，多爾袞的話雖然說得頭頭是道，但其無非還是在懷疑自己是否真的歸順他了。他極力讓自己打頭陣，無疑是想坐收漁人之利、收拾殘局而已。但形勢已經到了這個地步，如果不按照他說的做，結果將會更慘。吳三桂點了點頭說道：“親王分析的句句在理，那就按照您的部署，我先率所部與農民軍打頭陣。”
此時，李自成沒有半點猶豫，他覺得自己這一戰肯定是必勝的。吳軍的戰鬥力雖然很強，但是和農民軍抗衡簡直是以卵擊石，不自量力。等杜絕了吳軍這樣的後患，自己再即位也不遲，那時候自己就不必再為這些戰事而費心了。李自成即便是這樣想，但他心中還是在無形中起了一絲波瀾，昨天和吳軍在一片石首戰，吳三桂所率領的遼東兵確實是自己有生以來遇到的最強勁的對手。成與敗在這時突然變得重要起來，李自成馬上把剛才的輕敵之心轉化成謹慎應敵的思想。他認為，如果要把吳三桂的兵力徹底打敗，自己恐怕要傾巢出兵。
很快，吳三桂率領吳軍五萬人率先出戰，吶喊著飛馳過河，鐵騎在先，步兵在後，採取了前衝後殺的戰術。李自成指揮大軍已在石河西岸紅瓦店一帶擺開決戰的陣勢：北自山、南至海，綿亙二三十里，猶如一字長蛇，面向山海關西大門，顯出一舉奪關的雄壯態勢。李自成站在一片高崗上，戰局盡收眼底，他心中暗自為吳軍感到擔心，以兩兵的實力來判斷，吳軍斷然沒有半點勝算。不知是不是吳三桂昏頭了，不倚仗山海關易守難攻的特點守城，卻撇開有利於自己的天然工事，率兵打過來了。
李自成看到吳三桂率兵衝殺過來，馬上下達了命令，“長蛇”以快速的趨勢逶迤過去，準備把吳軍圍在其中。
剛一交戰，忽然起了一陣大風，飛沙走石，騰起的塵土瀰漫在空中，咫尺的距離都難以分辨。吳三桂復仇心切，又有清兵作為後援，勇猛倍增，全然失去了先前作戰時的慎敵之意。他一邊衝殺，一邊鼓勵全軍奮戰：“給我殺！'流寇'雖有陣勢，卻是不堪一擊，殺！”吳軍受到鼓舞，士氣大增，不顧一切地直衝農民軍右翼，揮刀躍馬，衝鋒陷陣。
農民軍也毫不示弱，奮勇進擊，前仆後繼，對吳軍實行三面合圍。吳軍向左突擊，農民軍的號旗指向左，迅速進圍；吳軍向右突擊，農民軍的旗號則又指向右，再進圍。吳軍再沖開……如此反复，吳軍衝殺數十次，農民軍圍開又復合，一時間吳軍與農民軍竟打了個旗鼓相當。只見兩軍戰鼓擂響，戰馬嘶鳴，人聲吶喊，混作一團。更有如雷的砲火聲猶如後奏的戰樂，箭如雨下，紛紛射入兩軍陣中，其中一些攻擊性強的“飛丸”甚至散射到城內的廟堂附近。
激戰已持續到中午，吳軍逐漸失去了進攻的勢頭，眼看已經支持不住了。隱蔽在城內的多爾袞看得十分清楚，他隨即召集諸王貝勒及出征的將官，再次動員道：“諸位這次一定要努力，一定要打敗敵軍。此時敵軍雖然已經佔了上風，但是軍力已經疲憊，我們可分兩路攻其首尾，此戰必定大勝！”
說完他開始部署兵力，向海的方向鱗次佈列，衝擊農民軍較為薄弱的陣尾，與吳軍兩頭夾攻。他一下達出戰命令，整裝待發的清騎兵猶如上弦之箭，從城內飛也似的衝了出去。以正白旗騎兵為先鋒，後續鋪天蓋地，一時間清軍猶如萬馬奔騰，吶喊聲不絕，銳不可當。清軍鐵騎以旺盛的銳氣，勇猛衝鋒。吳軍眼看不支，吳三桂正著急，這時看見清軍從農民軍尾部衝殺過來，頓時振作起來，戰場的局勢開始扭轉。
李自成眼看自己的部隊就要把吳軍圍剿，這時候突然殺出城的一股兵力，讓他倒吸了一口冷氣，心裡詫異至極。這時有一個僧人前來報告說道：“滿洲兵已經參戰，隊伍龐大，怕是早已謀劃好的，大王還是趕快撤兵回城吧。這一仗大王要是再打下去，恐怕連翻身的機會都沒有了。”
李自成聞言，心中一下子涼了。清軍是什麼時候入關的，與之相關的細節情報自己都沒有掌握，這場仗再打下去自己是必敗無疑。眼看著清軍殺氣騰騰地衝殺過來，自己的部隊開始逐漸潰散。
李自成的大將劉宗敏一直在戰場廝殺，身上多處受了箭傷，他也不拔，還在堅持戰鬥。當沙塵散開，“帶髮辮”的騎兵突然出現在眼前時，農民軍不禁大呼：“滿兵來了……”於是潰敗。前頭的農民軍一敗，迅速波及了整個農民軍隊伍。農民軍的長陣頓時潰散成數段，失去了原先的圍攻之勢。士兵們紛紛丟棄弓箭、大刀等武器，朝後猛撤，倒下的士兵被後面的士兵踩死不少，一片混亂。大約一頓飯的工夫，隨著沙塵遠去，石河戰場頃刻間變得空曠。清、吳聯軍緊跟在逃跑的農民軍將士後面繼續窮追猛打，一直追擊了四十里才收兵回營。有很多農民軍被追逼到海邊，投海淹死的不知有多少。
李自成率領著殘兵損將連夜逃到了永平。
山海關之戰最終以清軍徹底勝利，李自成徹底失敗而告終，對於清朝來說，是以數万人的生命和鮮血為它進入北京而舉行的一場悲壯的祭奠禮。清軍之所以能夠在山海關大獲全勝，一個主要原因就是吳三桂開關迎降清朝，並以五萬遼兵投入，造成對農民軍戰略上的優勢。同時，多爾袞作為清軍的統帥，抓住機遇，以正確的戰略戰術和政策指導這場戰爭，獲得成功絕非偶然。