4月21日多爾袞把大軍停屯在山海關外60裏處，不急於和吳三桂合兵，而等待事態的發展。就在同一天，大順軍到山海關下。李自成得知吳三桂尚未和清軍合兵，心中稍稍寬慰了一點，於是決定速戰速決，一舉奪取山海關後，派雄兵駐守以抗拒清兵於關外。
一場決定命運的山海關大戰終於拉開了序幕。
一向用兵如神的李自成把主力部隊列陣山海關前，同時派唐通率兵2萬騎，從山海關西的一片石的北出口，繞道從東夾擊關外的西羅城，以斷吳三桂退路，形成東、北、西三麵合攻山海關之勢。吳三桂不敵，立即敗回城中。李自成立即又派數千騎兵飛馳到西羅城之北，正準備乘勝登城，被吳軍發現，吳軍趕緊調動大炮轟擊農民軍。大順軍竟一時未把西羅城攻下，兩軍於是相持起來。
4月22日，大順軍再一次向山海關的吳軍發起了猛烈的攻勢，從東、西、北三麵圍攻吳軍，一時間，連營齊上，殺聲騰騰，人喧馬嘶，戰鼓聲響徹雲霄。多爾袞再次接到吳三桂的求救信，於是率軍移至歡喜嶺駐紮（歡喜嶺距關2裏），看到山海關城裏吳軍大炮向東邊清軍方向攻擊，不由得懷疑起來。便命令部下把清軍的旗幟高舉懸掛起來，仍舊不肯率兵輕易出擊。
眼看，吳三桂就支持不住了。一望到清軍的旗幟，他就率了幾騎人馬，拚死突圍，風馳電掣般躲進清軍營中。他一見到多爾袞，眼淚就像斷了線的珍珠一樣，嘩嘩地往下流，繼而納頭就拜。多爾袞反而卻不滿地問：“既然一而再、再而三地邀我軍進來救援，為何又不停往我軍陣地轟擊呢？”
“哪裏敢轟擊貴軍呢？隻是因為李自成大軍已從南、西、北三向包圍了我們， 堅不可摧， 並以萬騎斷我車路，所以我才發炮轟擊的啊！”吳三桂急得頓足捶胸，再三辯白。
多爾袞終於點了點頭：“既然如此，就算了吧！可是如果沒有誓盟，我怎能輕易地相信你的諾言和誠意呢？並且闖軍人多勢眾，在裝束上與你的軍隊幾乎就沒有什麼差別，很難分辨出來，為了避免誤傷，為了表示了你真心投靠我清朝，這樣吧，你及貴軍任何將士均須按我軍模樣剃頭束發，你看怎麼樣？”吳三桂聽了，心想，多爾袞這老奸巨滑的家夥，要以剃頭束發把我逼上絕境，讓我無法反悔。唉，沒辦法，我跟大順仇恨不共戴天，為了替父報仇，死不足惜，何顧剃頭呢？於是咬咬牙說：“我實在是兵力太少，倒不是怕了那闖賊，才向貴軍借兵的。既然如此，剃發就剃發吧！”
於是，吳三桂與多爾袞與按照滿清的規矩，殺白馬以祭天，斬黑牛以祭地，歃血為盟。吳三桂又閉著眼睛剃了頭發。
在他們忙乎的同時，守關的吳軍在大順軍的猛烈攻勢下，已經發生了動搖。北翼城方麵的守軍，已向大順軍投誠。
清軍終於迅速采取行動了。多爾袞以吳三桂為前鋒，命英王阿濟格率領萬騎為左翼，進入北水關；命豫王多鐸率領萬騎為右翼，進入南水關；多爾袞自己則自領重兵壓陣。
吳三桂重新入關城後，大呼小叫地命令守城將士趕緊照自己的模樣剃頭束發，來不及剃的，則用白束斜束領背，以示區別。
李自成遙望關城之上吳軍怪模怪樣的打扮，心中不由一沉。果然，急報傳來，說清軍已隨吳三桂占領了山海關。李自成速命撤還已突進關外的軍隊，重新在關前列陣，從北山直到海濱，擺開一字長蛇陣，整軍待戰。吳三桂率軍打頭陣，起義軍很快從兩翼圍吳三桂軍數圍，李自成急於求成，將機動兵力也投入戰鬥。
誰知兩軍激戰至中午時分，山海關忽然狂風大作，塵沙遮日，咫尺間幾乎什麼也看不清。眼看吳三桂軍就要給攻破，清軍乘風沙之勢派出萬餘騎兵繞出主戰場，偷襲大順軍側翼。一時間，隻聞萬馬奔騰之聲，大順軍還來不及作出反應，清軍已經箭如雨下。大將劉宗敏雖然勇冠三軍，可一時為風沙所蔽，躲避不及，被流矢擊中，中箭落馬。另外不少驍將，也負了重傷。這時由於清軍的加入，雙方的軍事力量發生了逆轉，大順軍隻有6萬，清吳聯軍卻號稱12萬。李自成終於節節敗退。
李自成在山海關一片石之戰失敗後，率大順軍退守永平。清軍撥一萬馬步兵給吳三桂，吳三桂便有恃無恐尾隨在大順軍之後。4月23日，雙方再戰於永平的紅花店，大順軍又不支而敗。在範家店，李自成惱羞成怒，一聲令下，斬了吳三桂的父親吳襄，收集敗兵，撤回北京。
李自成還沒有回來，大順軍戰敗的消息已經像插了翅膀似地傳遍了京城。京城中謠言紛起，有的說吳三桂是奉了明太子手令，要攻進北京重繼明朝大統的，甚至還有人暗地散發一篇檄文，聲稱要“共輔太子”。一時京城人心開始動搖不定。一些明降官偷偷潛逃出城；已經投降的明軍將士也軍心不穩起來，無數兵卒帶著金銀財物四散逃亡。
4月26日，李自成終於敗回京城。
這一天，大順政權的一班文臣武將聚在宮中，麵麵相覷。李岩先暗啞地開口說道：“目前軍情已是萬分緊急了，恐怕京城已經難保。請陛下及早準備一切，萬一大勢有變，就遷都西安，退守關中，或者今後還可以卷土重來。”
牛金星看了眼李岩，也對李自成說：“不管怎樣，如今正式的登基大典尚未舉行，我意陛下應盡早登基，以安定民心。”
李自成麵色鐵青，說：“現在別說民心，連軍心都不可靠了。也罷，我自關中來，仍回關中去，先做個西北天子！昔日潼關一戰，隻剩下18騎，我李自成不是東山再起了，這一回不信會一敗塗地！好，就依你們二位，趕緊準備登基大典，然後撤出北京。”登基大典是牛金星苦心籌備了一個月之久的，文武百官也早就把一應禮儀學習熟了。隻是，在這種沉重的氣氛下籌備登基，大家都沒有了演習時候那種誌得意滿的心氣兒。
4月29日，李自成於武英殿即皇帝位，心神不定地受了百官的朝賀。他頭戴通天九旒冕，身穿滾龍織金袍，腰上紮了玉帶，腳下穿著黑靴，儼然一副封建帝王的模樣。但是他心中卻極不自在，又不習慣於這身裝束，隻是勉強受著牛金星的擺布。
典禮雖說倉促，各項儀式卻也一應俱全。追尊了李自成的祖上七代為帝後，冊立了結發之妻高桂英為皇後，並且頒發了大赦令。
這天晚上，李自成又發了一道諭旨，勸令百姓出城。事實上，京城早已大亂了。明降軍和大順士卒全無軍紀，肆行搶掠，滿城哭聲相聞。李自成及諸將忙著準備撤軍，已經沒有心思也沒有精力來彈壓了。吳三桂的人馬則已迫近京城，攻城的炮聲日夜不絕。
4月30日，李自成率大軍押了幾十車金銀財寶，啟程西行出京，令穀大成和明降將左光先率萬人斷後。臨行時命人放火，燒毀了皇宮。為了延緩吳軍的追擊速度，大順軍一路上丟棄了許多輜重。從盧溝橋到固安一帶，路旁扔了無數衣服財物，讓吳軍爭相搶奪。從1644年3月19日進京，到4月30日撤出，李自成隻在京城有過短短的40天帝王曆史。十餘年橫掃中國而擁有天下，使得李自成及諸將士驕傲了，輕敵了。以至於勝利的紅燭尚未燃盡，金鑾殿的寶座還沒有坐熱，失敗就無情地來叩打大順政權的大門了！
五月初一，大順軍經過涿州，城內原來明朝的一批官紳竟緊閉城門，大軍隻好向南進發。五月初三，大軍剛到定州，吳三桂軍一路追殺而來，大順軍的殿後部隊奮力阻擊，結果穀大成戰死，左光先則失足落馬，大順軍一敗塗地。五月初五，李自成率軍到真定，所部士卒家屬老幼參半，都已疲憊不堪。李自成親自殿後迎敵。雖然暫時擊退了吳三桂軍隊，自己卻也帶了箭傷。於是不敢稍留，立刻揮師過固關，退入山西，李自成命令李過率後營兵馬嚴守關口。固關易守難攻，吳三桂的追兵到了關下，便不再追攻，原路返回北京。大順軍退入山西後，暫時穩定下來。7月李自成在平陽召開了一次軍事會議，商議今後的對策。這時候，由於大順政權的敗亡，河南各地明朝殘餘勢力又起，紛紛殘殺大順政權的地方官取而代之。李岩因而在會上提出，由他率2萬精兵，前往河南平息叛亂，收複失地。李自成正在沉吟，牛金星卻暗中連連向他使眼色。他便含糊地說，此事容後再議。
會後，牛金星鑽到李自成的營帳中，故作神密地對李自成說：“我看李岩這個人不可靠！”
“何以見得？”李自成十分驚訝。
牛金星進讒言說：“李岩是個有雄才大誌的人，早就不肯久居人下了。在北京的時候，他看主上在上諭中寫了錯誤字，就背地裏笑話過主上不通文字。平日主上與劉將軍等不拘禮儀，坐則相壓，行則相攙，他也看不慣！”
李自成聽了，不動聲色地笑笑說：“這也不算什麼！你們文人還不都是一樣的脾氣？”
牛金星急急地說：“主上切不可掉以輕心。河南乃是李岩的故鄉，百姓們一直都把‘李公子’和‘李闖王’二李並稱，如果把2萬精兵交給李岩，他羽翼豐滿時就不可扼製了！”
牛金星見李自成依然猶疑不定，又陰險地加重了語氣，說：“李岩還說過：‘十八子坐天下的預言也許落在我身上！’主上別忘了，他也姓李啊！ 他要是領兵反叛可不得了！”
李自成眉毛一挑，他最不能容忍的就是叛逆行為。這幾天一路敗逃，他的心情糟透了，一聽說連李岩也有了異心，一時怒火攻心，憤憤地說：“他要反，還沒那麼容易！這事就交給你去辦吧！”
牛金星得了這句話，幾乎掩不住喜色，趕緊退了出來。原來，這牛金星一直忌憚李岩的才智威望在自己之上。別人看不清楚，那李岩是何等的眼光，豈能不知道？因而他幹脆惡人先告狀，除去這個眼中釘。次日，牛金星擺下酒宴，請來了李岩和弟弟李牟。他故作親熱地對李岩說：“我聽說主上已有意讓你率兵前往河南了，所以先設宴算是與你弟兄餞行。”李岩、李牟兄弟不疑其中有詐，坦然地把盞共飲起來。酒過三巡，牛金星突然發難，擲杯於地。事先埋伏於帳後的一群士卒手執大刀搶到席上，不容分說，就將李岩、李牟二人砍倒在地，當即身亡。