明關寧守將，平西伯吳三桂，在崇禎急召下，放棄關外重鎮寧遠回援京師，但當他於三月二十日進抵豐潤時，才得知京師已經陷落。吳隨即率軍返回山海關駐守。
李自成派居庸關降將唐通帶本部人馬前去招降吳三桂，許以封侯，還加上吳三桂父親吳襄的一封信。唐通和吳三桂是老戰友，曾一起參加過兩年前的松山之戰。吳三桂和老戰友詳談後，收下李自成送來的銀子，表示願意投降。吳隨即把山海關交給唐通，自己率部前往北京投降。
接下來的事，吳偉業先生在《圓圓曲》中有所描述，叫作“妻子豈應關大計，英雄無奈是多情。全家白骨成灰土，一代紅妝照汗青”。
吳三桂到達永平時，碰到從京里逃出來的人，就順便問問家裡的情況。
吳：我家裡怎麼樣？
來人：被李闖沒官了。
吳：這是誤會，我回去就會發還。那我爹呢？
來人：被李闖抓起來了。
吳：誤會，這完全是誤會，我回去就會釋放的……陳夫人還好吧？
來人：也被李闖霸占了……
吳：來人哪，傳令全軍給大明皇帝戴孝，我要和李自成決一死戰！
陳夫人，就是陳圓圓，本名陳沅，圓圓是她的藝名。明末史料裡，有說搶去她的是劉宗敏，有說是李自成，莫衷一是。不管是被誰搶去，這一事件確實促成了吳三桂降清。
遙遠的江南，一位美麗的歌女，碰巧被一位貴戚看上。這位貴戚將她帶到北京城裡，送給皇帝，隨即又被遣出宮來。在貴戚府上的一次宴會中，一位青年將軍迷上了她。貴戚將她送給將軍，可偏偏將軍駐防在邊關，只得將她留在自己父親老將軍府中。流寇攻破了京師，老將軍的府邸被抄，她也被流寇搶去。將軍得信後，異常憤怒，竟然投靠了異族的敵人。他引來異族兵馬，打敗了流寇，搶回了歌女，但從此華夏之天下，淪入異族手中，將近三百年。
四月十三日，李自成見招降不成，親率約十萬大軍出征山海關。
吳三桂清楚地意識到自己不可能同時對抗關內的李自成和關外的滿清兩支力量，他必須偏向其中一方。李自成既已不可能投降，那麼能幫上忙的，也只剩下了關外的老敵人滿清。
吳三桂明白，沒有永恆的敵人，沒有永恆的朋友。但李自成卻不明白如此簡單的一個事實。
滿清在得知李自成攻占北京的消息後，已經發布了動員令，以努爾哈赤第九子多爾袞為大將軍，明朝降將洪承疇等為參謀，以傾國之兵約十四萬人“往定中原”。有沒有吳三桂的投降並不重要，吳三桂的投降不過是給了滿清一個更好的藉口而已。
大順軍於四月二十日抵達山海關西南的石河一線，隨即投入戰鬥，直到二十一日晨，大順軍仍未能突破吳軍防線。李自成令吳三桂的父親吳襄在陣前勸降吳三桂，吳三桂大呼：“父既不能為忠臣，兒又安能為孝子乎？”
到二十一日中午，大順軍後續部隊相繼趕到，恰逢吳軍主力後撤吃飯，李自成方才擊破吳軍防線，直逼山海關下，猛攻西羅城與北翼城，同時派出唐通軍自九門口繞出長城，從背後包圍山海關。
吳軍兵力五萬人左右，處於劣勢，急向多爾袞求援。多爾袞於二十二日晨移軍山海關東北的歡喜嶺，以便直接觀察戰場形勢，但遲遲不肯參戰。
李自成已經發現大批滿洲部隊出現在山海關外，但此時的他，處境極其尷尬。兵力對比上，清軍號稱有十四萬騎，吳軍也有五萬人，大順軍僅有十萬左右，若清軍參戰，則大順軍將處於絕對劣勢。但如果轉身撤退，清軍和吳軍的關寧鐵騎都以機動性著稱，即便大順軍騎兵可以成功撤離戰場，步兵和大量輜重也將全部損失。
擺在李自成面前的難題是：本來隻請一桌人，卻來了四桌。當前唯一的辦法，就是在清軍參戰之前，迅速解決吳三桂，奪下山海關。
大順軍不要命地猛攻關城。
吳三桂多次派使者去向多爾袞求援，但多爾袞卻表示，希望吳將軍能夠剃頭去見他。吳三桂只想藉兵幫忙，而多爾袞根本就是要他投降。就這樣投降異族，吳三桂是不願意的，但李自成毫不留餘地的猛烈進攻，使吳三桂動搖了。經過激烈的思想鬥爭，吳三桂終於剃頭往見多爾袞。多爾袞要求吳軍全體薙發，理由是非如此，清軍無法區分敵我。
雙方達成協議後，清軍立刻出動，在山海關東北的圍攻東羅城的唐通軍首當其衝，遭到吳軍與清軍的夾擊，幾乎全軍覆沒。清軍隨即進入山海關，與吳軍會師。
李自成得知清軍入關後，將兵力收縮在石河一線，吳軍和部分清軍出關列陣，雙方在此展開了一場規模空前的野戰。吳軍率先沖鋒，大順軍迎擊，在雙方鏖戰正激時，忽有狂風大作，沙塵蔽日。多爾袞抓住這個有利時機，將全軍投入戰鬥，沿右翼包抄，將大順軍往海裡趕。
驍勇的滿洲騎兵勢如山崩而下。
李自成在高崗上看見一支完全不同的軍隊沖入大順軍陣中，頓足道：“此必北兵也，三桂真挾北兵來耶！”他知道敗局已定，隨即策馬撤離戰場。吳軍和清軍一路追殺，大順軍慘敗，戰士傷亡無數，據說直到三年後，還有未收盡的遺骸。大順軍損失慘重，連權將軍劉宗敏也中箭，身負重傷。
這是決定中國未來三百年命運的一戰。
李自成固然是大敗虧輸，吳三桂又何嘗是贏家？李自成隨即殺了吳襄全家以洩憤，這就是吳偉業詩中所說的“全家白骨成灰土”。三十年後，吳三桂又在雲貴舉兵反清，兵敗垂成，他本人憂憤病死，重建的家族也被毀滅。
兄弟鬩牆而鬥，又有誰能夠勝出呢？