麵對著來勢洶洶的秦軍，李自成的順軍也不能無動於衷了。
當孫傳庭的秦軍開到襄汾的時候，袁宗第率軍一萬五千阻截秦軍。在首日的激戰中，順軍未能突破秦軍的偏廂車陣，在損失了千餘人以後敗退了下去。在第二日，順軍的一名營校率幾百人臨陣投降，造成順軍陣腳大亂，在一番追擊後，秦軍完全擊潰了袁宗第部，斬殺、俘虜順軍超過了近四千。順軍的首支阻截部隊大敗而歸。
接著在正月十八日，秦軍兵至襄汾縣城，順軍都尉李養純率軍三千投降，打開了臨汾城的門戶。十九日，抵臨汾城下。李自成任命的寶州牧陳可新、州判薑鯉組織百姓據城抵禦。
二十二日晚，有城中鄉紳領二百八十八人私自出城投降，城遂破，諸軍蜂擁入，城中鼎沸，火光照若白晝。陳可新、薑鯉等均被捕殺。而孫傳庭從投降的二百八十八人中，擇二老者，命其一一指名，不能名者十餘人，疑為賊，皆斬之。而對其他城中百姓，更借口“為賊固守”，全部殺光。進行了一場血腥的屠城。
而秦軍的一支偏師，也於二十二日夜攻占浮山縣城，他們也借口順軍老營曾留在該縣，將全城居民屠戮殆盡。
戰鬥到了現在，入山西的秦軍是連連獲勝，這群臨時捏合起來的部隊也逐漸有了信心。更因為李自成的順軍主動示弱，他們都認為順軍不過如此，驕橫之氣也都是油然勃發。
而到了此時，無間道——丘之陶也認為時機已到，他利用自己的兵政府侍郎的職務，向在前線指揮作戰的李自成發出偽造的情報。謊說保定的京營官軍已從東麵進攻太原，後方形勢危急。
可當丘之陶的假情報一送到，李自成立即派人把他叫來，接著拿出了孫傳庭的回信揭穿了他的內奸麵目，並處以死刑。
消弭了內部隱患以後，李自成的順軍開始全麵迎戰。
二月初四，順軍與秦軍接戰於汾西縣。順軍初戰失利，果毅將軍謝君友被俘殺。但這也是清軍此次出陝作戰的回光返照了。
由於秦軍是孤軍深入，距離後方供應基地越來越遠。又值開春化凍，道路一片泥濘。秦軍的糧車進展緩慢，前線的士卒和馬匹饑瘦不堪。
這時候就有人勸說孫傳庭回師就糧，可孫傳庭卻回答說：“師已行，即還亦饑，不如破汾西縣就食。”
也許是皇命難違。也許是孫傳庭被勝利衝昏了頭腦。但孫傳庭心知肚明：這樣一支臨時捏合起來的秦軍，不利用現在的連連獲勝。一鼓作氣衝殺到太原。那秦軍以後對順軍的作戰，就再也尋找不到這樣的好機會了。
可是汾西縣本是個又小又窮的縣份，秦軍破城後隻搶到幾百匹騾馬，幾萬士卒很快就吃用殆盡。而李自成見秦軍深入絕地，一方麵動員百姓堅壁清野，使秦軍無法就地籌糧。一麵派大將劉宗敏帶著一萬多名騎兵由間道抄到秦軍後方，在洪洞縣龍馬鄉地方切斷秦軍的糧道，要對秦軍展開絕殺。
孫傳庭聞訊大驚，部下也軍心不穩。李自成卻在此時用大牌寫下戰書。指定日期約秦軍決戰。而孫傳庭無計可施，他命總兵秦翼明留守軍營斷後，自己統率嫡係陝西官兵分路撤退，企圖打通糧道。
而秦翼明部下的士兵看著陝西兵撤回迎糧，自己卻被留下來忍饑挨餓充當替死鬼，都憤恨不平，拒絕服從命令，紛紛跟在陝西官軍後麵亂跑。秦翼明派親兵斬殺阻攔，卻不能止。最終因為軍心難違，隻好隨部眾回撤。
孫傳庭部署的阻擊部隊這一逃，順軍即乘勢發起總攻，秦軍部伍大亂，遂全線崩潰。總兵白廣恩所統偏廂車營士卒為了逃命，解下拉車的馬匹騎上就跑，偏廂車翻倒傾軋，道路也被堵塞，更是造成了秦軍的潰散不堪。
順軍鐵騎騰越而過，奮勇直追。步兵則手持大棒猛擊官軍，中者頭部與頭盔俱碎。秦軍大敗，死亡四萬餘人，甲仗馬騾數萬，盡為順軍所有。其餘繳獲、俘虜、逃散者不計其數。
在短短的十天內，秦軍丟失了所有的勝利戰果，潰逃近五百裏。孫傳庭和總兵高傑收集散亡士卒數千騎渡過黃河，經大荔縣繞到潼關。總兵秦翼明也領著殘兵敗卒奔往潼關。
而此次汾西大敗，使得大明朝所留下唯一的“精銳部隊”——秦軍，受到了毀滅性的打擊。從此以後，西北地區就沒有能挾製住農民軍的大明部隊了。
接著，李自成趁著孫傳庭喘息未定，於二月十九日率大軍三十萬直逼潼關。而此時在餘子璉的一番經營之下，在河南府的黑雲軍也已擴軍至三萬多。不過他們也不敢與士氣正旺的順軍交戰，隻龜縮在洛陽城內，任由順軍自由行動。