二十二日清晨，清军进至离山海关城仅二里，吴三桂见情势危急，率轻骑寥寥数员冲出重围、飞奔至关城东二里的威远堡清军营垒，跪降于多尔衮。
吴三桂表示：“倘若清军不愿助山海关明军，我也不愿返回山海关督战，李自成大军必在攻陷山海关后，一鼓作气攻向清军！”
多尔衮见吴三桂归顺非诈，接受吴三桂的请求，多尔衮令吴三桂按满洲习俗剃头，许诺将皇太极长女建宁公主嫁给吴子吴应熊。
此后，多尔衮命令硕英郡王阿济格、多罗郡王多铎率劲旅八万，在规定时间内分别从南水门、北水门、关中门进入关内，吴三桂所部系白布为号担任前锋。
四月二十三日辰时，吴三桂军渐难支撑，据守北翼城的一支吴三桂军向大顺军投降，多尔衮在欢喜岭的威远台上观战，下令清军从南水门、北水门、关中门三路进关。
大顺军因攻坚一昼夜未能夺关，乃改取野战，自角山至渤海投入全部兵力，布一字长蛇阵，成决战架势。
多尔衮以吴三桂部为右翼迎战，重兵则鳞次列阵于渤海滨大顺军阵尾薄弱处，待机出击，并告诫各部不得急进。
大顺军不明清军意图，仍按原计划向吴三桂军紧逼，令旗左右挥动，来回冲杀。吴三桂因有清军压阵，死战不退。
此时大风突起，扬尘蔽天，不利于不熟悉山海关地理的大顺军，双方展开肉搏，大顺军不顾伤亡，把吴三桂部团团围住。
血战至中午，双方均折损数万人，已经到了强弩之末，无力再战。
多尔衮见状大喜过望，因此急令阿济格、多铎各率两万精骑，乘风势、挥白旗，对阵直冲大顺军。
疲惫不堪的大顺军完全没有料到清军会直接参战，猝不及防之下阵脚大乱。加上大顺军没有和满清骑兵作战的经验，伤亡人数急剧上升。
申时初，统兵大将刘宗敏身中三箭负重伤，大顺军损失过半之后终于开始溃散。
李自成见败局已定，急令余部且战且走，立即向永平方向撤退。
老奸巨猾的多尔衮知道眼前就是千载难逢的大好机会，因此在马背上口头封吴三桂为平西王，同时命令他率部作先导一路追杀，直扑京城。
二十六日，李自成率领残部三万余人逃回京城。
二十九日，李自成在京城称帝，怒杀吴三桂家大小三十八口泄愤。
四月三十日，李自成决定由山西、河南两路撤退，到长安凭借黄河天堑稳定局势
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