1644年二十二日傍晚，吳三桂與多爾袞在威遠城結盟以後，吳三桂立刻回到關內，按約定命令全軍用白布纏在肩膀上或者背上，以區別於大順軍。清軍進入山海關關城以後，阿濟格、多鐸率兩白旗從北水關進入北翼城待命，豪格率兩藍旗從南水關進入南翼城待命，多爾袞率兩黃旗與兩紅旗自東羅城入。至此，清軍主力已經入關。
現今不少史籍記載清軍投入戰鬥以前，大順軍毫無覺察，等到發現突陣而來的是清軍，立即失魂落魄地奔逃。這和當時情況嚴重不符。開戰的第一天晚上，唐通部就已經發現了清軍，只是黑夜中不知道清軍的兵力。至第2天凌晨大順軍就已經包圍了山海關，而吳三桂往威遠台請清軍參戰時是衝過唐通部陣地的，隨後唐通部被清軍擊退以後，又敗退回了九門口，必然會通知李自成清軍的兵力，並且告知此時清軍已經入關。
▲山海關關城內巷圖
▲山海關關城內主建築縮率圖
問題是獲悉清軍入關以後，李自成已來不及改變部署，只有憑原來的部署與之決戰。”而且就算沒有唐通的敗退，清軍的數萬大軍全都駐紮在山海關兩裏處的歡喜嶺，並沒地形上的遮蔽，哪怕只憑肉眼，也無論如何都不會看不見。
只是在清軍突擊以前，李自成還不能確定清軍的主攻方向與戰力究竟如何，也不知道吳三桂已經與清軍正式結盟。不過即使知道，他除了孤注一擲外，也不可能有什麼其他選擇。因為在這時臨陣退卻，無疑結果是毀滅性的。尤其在八旗軍和關遼軍的騎兵面前，更是如此。
他也知道，如果再繼續攻城的話，大順軍的傷亡太大，而大順軍從來沒有與清軍交戰過，並不知道清軍的戰鬥力。所以萬一清軍介入，一定會對戰局造成不利的影響。而吳三桂率領全部關遼軍也已經列陣山海關西羅城下。他身後的多爾袞的部隊也已經全部進入了山海關。並且北中南三個方向的清軍已經全部列陣完畢。所以李自成當即決定，不管清軍是否出兵，先解決吳三桂。
臨戰指揮方面李自成在野戰的技巧和戰術上，是相當出色的。《明史》中對他的作戰方式，曾作了這樣的記載：“臨陣，列軍馬三萬，名三堵牆。前者返顧，後者殺之。戰久不勝，馬兵佯則誘官兵，步卒長槍三萬，擊刺如飛，馬兵回擊，無不大勝。”
這種戰法，騎兵和己方其他部隊距離極近的情況下在戰鬥中佯敗誘敵，一不小心就會出現大規模的潰退，所以需要組織者具備極強的戰場控制能力和很高的個人魅力。不過多年來的戰鬥記錄證明，李自成是具備這兩點的。而且此次作戰，李自成更是將每堵“牆”的兵力進行了“加厚”。近巳時時分，最後的戰鬥終於打響，戰場上“炮聲如雷，矢集如雨”，吳三桂、吳國貴等為前鋒，率領關遼精鋭，一馬當先殺進了大順軍的“三堵牆”。
吳三桂和關遼軍都知道成敗在此一舉，因為關遼軍的大部分為從遼東來的野戰部隊，如果一味的占城防守，在大順軍後續來自於北京源源不斷的猛烈炮火面前，那只有空耗等死。只有在野戰中放手一搏，或許還有生機。所以當吳三桂一回到陣中就開始率領全軍衝鋒，雖然人數上處於絕對劣勢，但關遼軍一旦開始了全軍的衝鋒，在一開始的戰鬥形勢上並沒有處於下風。關遼軍作戰勇猛，來往衝殺，雙方慘烈的搏殺，自交戰起一直殺到午時。這次戰鬥，也是李自成自起兵以來遇到的最激烈也是最殘酷的，雙方都表現出了極強的戰力和悍不畏死的氣勢。
吳三桂的3萬關遼軍被三倍於己的10萬大順軍精鋭包圍在中間，雖然他左衝右突，多次衝開大順軍的2道包圍圈，但隨即又被李自成在高崗上用旗號指揮第三道防線上的預備隊補上缺口，兵力上的劣勢使得吳三桂始終無法殺出重圍。而隨着關遼軍騎兵的消耗，李自成的“三堵牆“戰法慢慢地發揮了作用，吳三桂所部因為兵力上絕對劣勢，終於開始顯露出敗象。
多爾袞自開戰後一直在冷眼旁觀。他雖然已經進關，但依然沒有僅僅因與吳三桂結盟就徹底相信了吳三桂。所以他留了一手。前文提到的兵力配置：進關的清軍大約是6萬人，後續趕來的八旗軍依然留守威遠台大營可以隨時接應。萬一吳三桂有什麼動作，他只要往山海關外一退，就安全了。而李自成這回輕而易舉地一舉拿下了北京，這對他的震動極大，他甚至 在懷疑李自成會乘勝攻打遼東。他今天一直遲遲不動手，讓吳三桂先行發動攻擊，實是一舉數得之計。萬一變生不測，吳、李二人也實力有所折扣，自己不至於全軍盡墨，還可以“一以觀三桂之誠偽，一以覘自成之強弱，欲坐收漁人之利。”所以幾次部下請戰就被制止。
到了午時時分，仗已經打了這個份上，他想要知道的，也都知道了。大順軍的戰法，也都已經摸清了。因此當他發現吳三桂的部隊開始呈現敗像，特別是騎兵已經消耗無幾時，前明軍也已經將濫水關、寺兒峪關、三道關、角山關，旱門關在內的長城關卡全部攻克，並且已經從旱門關邊的小路殺至北翼城東面，重新對北翼城發起了攻擊，此時的形勢已經岌岌可危了。所以他立刻決定全軍出擊。也許歷史真的由無數巧合組成的。此時在山海關地區，突然從東向西颳起了一陣沙城暴，一時間飛砂走石，遮天蓋日。
▲東羅城城門
▲東羅城城垣
▲主關城與西羅城通道
北水關關門打開以後，關中的阿濟格、多鐸率領兩白旗兩萬人從正面攻向北翼城東面的前明軍，官撫民與周鳳悟當場戰死。隨後清軍立刻攻向了劉宗敏部，向大順軍北線發起了攻擊。此時劉宗敏部處在下風口，在迎面而來的沙城暴劇烈撲擊下，連眼睛都無法睜開，根本無法投入作戰，再加上被潰退的前明軍敗退下來以後打亂了其陣型，一時亂成一團紛紛後退，戰鬥力急劇降低，幾乎處於無法還手的狀態。但清軍卻是順風而來，戰鬥力不但完全不受影響，還因順風使得弓箭的射程大大增加。密集的箭矢猶如雨點一般落向大順軍，在最前線指揮的劉宗敏也被射中墜馬，隨後清軍騎兵衝進了大順軍北線陣地。瞬間，劉宗敏部因為處在沙城暴下風口，再加上前明軍的潰敗以及主將墜馬的眾多原因無法組織起有效抵抗而慌亂了起來。
但是李自成並沒有慌亂，而是馬上下令九門口的剩餘前明軍與前去支援劉宗敏，準備先穩住北線戰場，自己先暫時後撤至紅瓦店的七星寨，等待沙塵暴過去再重新投入戰場。但是這樣一來戰場形勢就發生了微妙的變化。
原本北翼城下的戰場形勢：北翼城東面的前明軍被擊潰後，北翼城西面的劉宗敏部，成了兩白旗清軍主要的突擊方向，但是此時如果更北面，也就是護着大順軍側翼的前明軍往南面增援，與劉宗敏一起作戰，北部戰場不會這麼迅速潰敗，但是出乎李自成意料的不管是北翼城東的左光先等人的前明軍還是從九門口關來的唐通、白廣恩、姜瓖等人的援軍，一看見清軍就失去了作戰的勇氣，如同晚明時期別的關內明軍一樣，毫無例外的未戰即潰。這使得整個北線呈現了大潰敗。劉宗敏見狀，不得不帶傷繼續指揮作戰，但是此時北線的潰敗已經不可避免。而看見高崗上李自成的帥旗退去以後，阿濟格清軍沒有繼續與劉宗敏部繼續糾纏，而是往南直接穿過了劉宗敏部的陣地攻向了中部戰線。
▲北翼城遺址
此時在中部戰線，原本被包圍的關遼軍，只剩幾千人，但兩萬多清軍的出現，使得所剩不多的關遼軍立刻士氣大振，吳三桂立刻重新組織起了攻勢，對中部大順軍 形成了反包圍，雖然此時還是大順軍的兵力佔優，但是由於李自成的率先撤退，使得大順軍軍中無主。劉宗敏見狀立刻也率北線剩餘的全軍衝往中部戰線，希望在李自成回到戰場以前暫時接替指揮，因為中部戰線佈置的兵力最多，如果失去了指揮，隨時有可能在清軍衝擊下潰敗。在北部戰線已經出現潰敗的情況下，一旦中部戰線也潰敗，那就有全面崩盤的危險，但是劉宗敏卻在趕往途中的關鍵時刻正好遭遇了關遼軍的突擊而再次被射中墜馬，射中他的正是吳三桂本人，並且這次身負重傷。
見此情景，多爾袞立刻命令兩黃旗與兩紅旗從西羅城殺出，開始了總攻，大順軍在主帥不在場，頭號戰將又受傷墜馬的情況下，使得大順軍的潰敗立刻從北線蔓延到了中線。最要命的是原本佈置的三堵牆戰術從騎兵佯敗變成了真正的大潰敗。
之後的戰鬥，大順軍被清、吳聯軍不斷的壓向南面，還在南線攻打南翼城的李過部面對突然潰敗而來的同僚，根本來不及調整陣型，前去接應，此時的兵力優勢不但徹底消失，還轉變為劣勢。
▲南翼城遺址
▲南翼長城與靖邊樓交接處
就在此時，南翼城中的豪格部清軍也突然殺出，措手不及的南線大順軍幾乎瞬間就被擊潰，北中南三線都潰敗之後，大順軍只能往更南面的老龍頭方向後撤，但這個方向盡頭是老龍頭的海面，再無退路，跑到這裏的大順軍沿着海邊繼續往西潰退，結果或被殺，或溺死，李自成在七星寨原本只是想等沙城暴過去後就立刻投入戰鬥，但是面對不斷往海邊全面潰敗下來的大順軍，身在七星寨的李自成根本無法將他們召回，不得已只能選擇了撤退。戰役的最後階段只有李過、李雙喜等人重新組織起了微弱的抵抗，但不久也被擊潰，之後的戰鬥變成一邊倒的屠殺，清、吳聯軍一直追殺到四十里外。到了戌時時分方才收兵。
▲已修復的部分南翼城內牆
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戰敗的大順軍除了在潰敗開始階段跑出來的騎兵以外，步兵盡被屠殺，可以説是慘敗。戰役中死亡的雙方士兵遺骸，甚至在三年後還依然可以看見，足見死亡人數之多。參與了這場戰鬥的當地鄉紳佘一元在他的《石河西義冢記》記到：“暴骨盈 野，三年收之未盡也。” 前面提到在清軍營中的朝鮮人於《藜燃室記述》中道，當天傍晚，“戰場皆空，積屍相枕於曠野之間，賊從城東海邊而走，為追兵所掩，溺水死者不可勝數。”……翌 日，多爾袞下令軍中勿侵百姓，並給了吳三桂1萬清兵與所剩不到3千的關遼軍一起向西追擊大順軍。山海關之戰不到兩天就結束了。
▲寧海城西門的甕城
▲寧海城城門
10天以後，五月初二，多爾袞進入了北京城。大明王朝的都城是愛新覺羅家族幾代人的努力換來的。如今曾經的奢望變成了事實，大清王朝入主華夏，一統天下的夙願得以實現，八月二十日，順治遷都北京，金鑾殿的龍椅在經歷了數月的風雲變化之後迎來了它的第三位主人。
▲闖王陵
▲闖王墓
▲李自成敗亡路線示意圖
彭孫貽《流寇志》：“自成、宗敏知邊兵勁，成敗決一戰，驅眾死鬥。三桂悉鋭鏖戰，無不一當百。自成益驅羣賊連營進，大呼，伐鼓震百里。三桂兵左右奮擊， 殺賊數千。賊鱗次相搏，前者死，後者復進。賊眾兵寡，三面圍之。關遼兵東西馳突，賊以其旗左縈而右拂之，陣數十交，圍開復合。”“吾賞三圍彼都，不能遽克，自成一舉破之，其智勇必有大過人者。今統大眾親至，志不在小，得無乘戰勝精甲，有窺遼之志乎？”《吳逆取亡錄》“戴纓帽如萬朵紅雲，風捲而西”，《明季北略》“白標兵二隊，繞出其後，如發風潮湧，所到之處，無不披靡”，“此非吳兵，必東虜也。上位宜急避之。”“三桂真挾北兵來耶！”