在三月底，歸順李自成的唐通攜帶四萬兩白銀前往山海關，並帶來了吳三桂父親吳襄寫的招降信，麵對李自成的招降，吳三桂故意問手下將領：“然非藉將士力不能以破敵，今將若之何？”
在場的所有人都不敢表態，吳三桂不得不再逼問道：“今闖王使至，其斬之乎，抑迎之乎？”
當諸將在他帶著暗示和壓力的迫問下終於回答：“今*生惟將軍命”時，吳三桂終於說道：“報使於李自成，卷甲入朝”。
在將山海關交付李自成手下將領唐通後，吳三桂率領隊伍前往北京途中，得知父親吳襄被捕，起初是並不在意:說道：“此脅我降爾，何患！”
當得知愛妾陳圓圓被劉宗敏掠走後，終於咬牙切齒的道：“大丈夫不能保一女子，何麵見人耶！”當下立刻反軍攻克山海關，並複信吳襄，聲稱“父既不能為忠臣，兒亦安能為孝子乎？”
吳三桂自知自己的幾萬人馬，不是大順軍的對手，於是向滿清攝政王多爾袞請求援兵，信中寫道“乞念亡國孤臣忠義之言，速選精兵，直入中脅、西脅，三桂自率所部，合兵以抵都門，滅流寇於宮廷，示大義於中國，則我朝之報北朝者，豈惟財帛？將裂土以酬，不敢食言。”
得到吳三桂的書信，多爾袞認為是打敗大順軍，完成了太祖努爾哈赤的夙誌，占領中原的大好時機，四月初八日，順治親自召見多爾袞，命多爾袞率軍伐明，特授給奉命大將軍印，掌管軍中一切賞罰大事，並要諸王、貝勒、貝子、公、大臣等聽從指揮，同心協力以圖進取，初九日，多爾袞統率多羅豫郡王多鐸、多羅武英郡王阿濟格、恭順王孔有德、懷順王耿仲明、智順王尚可喜、續順公沈誌祥等，以及八旗固山額真、梅勒章京等滿洲、蒙古兵及漢軍兵總計約十四萬人，鳴炮起行討伐明朝。
四月上旬，李自成聽聞山海關吳三桂“造反”，他想讓劉宗敏、李錦率軍出征，但二將耽於京城內的淫樂享受搖頭不應，李自成隻得拖了幾天，不得不決定“親征”，這才讓大順軍將士勉強答應出征，李自成下令在平則門處決了以大學士陳演為首的明朝大臣一百多人，並派兵把北京城內拷掠而來的銀兩整車整車運往“西京”。
四月十三日，李自成率領二十萬大順軍發兵山海關，這二十萬人馬中，隻有七、八萬人算得上精兵，同行的還有吳三桂父親吳襄以及崇禎皇帝兩個兒子，這是李自成湧來對付吳三桂的殺手鐧。
四月二十一日，李自成到達山海關前，整整走了六天，這樣緩慢的行軍速度貽誤了戰機；李自成即派部將唐通帶數百人前去招降吳三桂，行至距山海關二三十裏處的一片石時，突然遭到吳三桂和當地豪紳地主武裝的襲擊，大順軍犧牲了百餘名戰士，李自成的招降吳三桂的計劃徹底失敗了。
李自成得到敗軍的報告大怒，率領大順軍到達山海關，隨即對東羅、西羅、北翼等城發起猛攻，吳三桂督兵頑抗。大戰自辰至午約六個時辰，守禦東羅、北翼二城的吳軍均瀕臨危殆難於支撐，當天晚上多爾袞率清軍到達山海關，次日淩晨，吳三桂以炮轟擊大順軍的包圍圈，從隙道突圍直馳清營，拜見多爾袞，剃發稱臣。
狡猾而機敏的多爾袞不願意與大順軍硬拚，於是命吳三桂打頭陣，自己則蓄銳不發按兵不動，吳三桂傾精銳而出，大順軍英勇搏戰，到了午後，大順軍將吳軍緊緊包圍起來，吳軍東馳西突，苦戰良久，已經不能支撐，正當雙方精疲力竭時，作壁上觀的清軍從陣右衝出，由於清軍猝然從陣中衝出，大順軍措手不及，忽然間狂風大作，大順軍將士睜不開眼，終於敗下陣來。
李自成率騎兵數千急忙退至永平，各首領和散失的大順軍也乘夜回到了永平，二十四日，清軍和吳三桂軍追至永平，李自成的大順軍日夜戰鬥疲乏已極，根本無法再戰，於是阻擊了一陣之後，李自成就放棄了永平，於二十七日率軍逃到了北京城。