当李自成开始进北京时，明朝京师禁卫部队正在调回山海关守将吴三桂入卫京师。吴三桂统领的“精兵四万、辽民七八万，皆耐搏战，而彝丁突骑数千，尤骁悍，北门锁钥，恃无恐”，是明朝防御清兵的屏障。吴三桂对明、清、农民军三方面的力量还看不清楚，鹿死谁手，还难以下结论。于是吴三桂带兵驻守在山海关，按兵不动，犹豫不决。援军至丰润，得知京都失守，崇祯已死。即驻军观望，京都被围，明军慌忙以禁卫军分守九门。大顺军一面围攻，一面命投降的太监劝明崇祯归降。城外明朝守军这时多已归降。到3月18日大顺军攻城益急，明太监开新义门迎大顺军入城，崇祯自缢死，明亡。
明王朝虽然已被推翻，但封建地主阶级并不甘心退出历史舞台，它们时刻准备着反扑。在南京的明朝大地主官僚，听到王朝覆亡，崇祯上吊的消息，“北向恸哭”，“誓师浦口，欲长驱死战”，“示天下以必报仇之义”。1644年6月间，他们拼凑了一个南京弘光政权，企图与农民政权对抗，恢复他们在全国的反动统治。尤其在距离北京不远的山海关，还驻扎着明朝宁远总兵吴三桂率领的精锐兵力，直接威胁着北京的安全。
大顺军进入北京后，明军尚存的宁远总兵吴三桂，统兵数万驻守在山海关，李自成一面令吴父写信劝降；一面派都将白广恩率步兵2万东攻滦州（河北滦县）切断吴军退路。吴三桂击退白广恩的进攻，退回山海关。
公元1644年（明崇祯十七年，清顺治元年、大顺水昌元年），是风云突变的一年。对于欲等天下的明军、清军、农民军来说，认清形势，把握时机，掌握主动，才有可能入主中原。当时，在吴三桂驻军北面的满族地方政权，大肆发展自己的势力，虎视眈眈，企图取代明王朝，建立满族贵族对全国的统治。掌握权力的摄政王多尔衮，与皇太极的长子豪格之间发生权力冲突。当祟祯帝下令吴三桂撤兵进京保卫他的统治巢穴时，满族统治者认为夺取全国统治权的时机已到，暂时缓和了内部的矛盾，举兵南下。李自成农民军打进北京后，清统治者立即更改方针，“变抄掠之暴，为吊伐之仁”。改变过去进关内劫掠的暴行，而要夺取农民义胜利果实，实现满族对全国的统治。正于多尔衮道出的：“今此之行，非同昔日，蒙天眷顾，要当定国安民，以成大业。”为了达到这个目的，清统治者把矛头指向农民军，扬言要为崇祯报仇，“沉舟破釜，暂不返旌，期必灭‘贼’”。并以此为号召，招降汉族官僚地主一明王朝的残余努力，共同绞杀农民起义。清赎治元年四月初六日，当京师已被农民军占领的消息传来时，摄政王多尔衮认为，入主中原，“成败之判，在此一举”，便于初九率领10万八旗军离开沈阳，向中原进军。
清军以摄政王多尔衮为首，随同豫亲王多锋、武英郡王阿济格、恭顺王孔有德、怀顺王耿仲明、智顺主尚可喜、贝子尼堪博洛、辅国公满达海等满汉将帅，陆续开赴山海关。“山海关，外控辽阳，内护畿辅”，乃兵家必争之地。李自成此时对满汉族贵族官僚地主可能勾结，清军可能入关这些问题认识不足，等到李自成认为形势紧张，不得不出兵时，时机已晚。李自成于4月13日亲统10余万大军带上吴三桂的父亲吴襄和崇祯皇帝的儿子等，向山海关进发。李自成在清军已经倾巢出动，而吴三桂仍首鼠两端的情况下，出兵山海关。因此李自成对即将发生的山海关之战的结果如何，心中并无把握。因吴三桂仍然顽固不降，从21日开始，李自成下令强攻山海关。
当时，多尔衮因敌情不明，对吴内形势的变化难以预料以及与农民军交战缺乏经验等。未敢妄动，进军途中多次与范文程，洪承畴等谋臣商讨作战方案。对吴三桂的两封求援信件，多尔衮因吴三桂对降清问题上没有明确态度，本不想急于相救，但又考虑到军情紧急，怕行动迟缓会贻误战机，立即令清军昼夜兼程前进。
吴三桂占据山海关天险，却不料处于腹背受敌的困境：外有清摄政王多尔衮率兵10万杀奔宁远而来，内有李闯王发兵20万亲征。吴三桂走投无路，决心报告满清。对多尔衮答复的“必封以故土，晋为藩王的优厚待遇吴三桂心有所动。他进一步向清军献策说：“幸王速振虎旅，直入山海，首尾加攻，逆贼可擒，京东四可传檄而定也。”
山海关以关城为中心据点，四面有东西两罗城和南北两翼城，以及长城、关隘、墩台、城堡等。相互连结，彼此护卫，构成一个坚固完备的防卫体系。山海关北面是山，南接大海，是一座东西向的城镇。东面的北翼城、夺罗城和南翼城原为防止清军入关的要塞，如今却成为吴、清之间唯一的通道。其中西罗城面向关内，前有石河，石河以西地势开阔，是理想的战场，所以，山海关战役的两次激战都在这里进行。
第一次，21日上午，吴三桂率领数万明军和乡勇在石河西布阵，与前来攻关的李自成的农民军展开激战。经过多次猛烈的冲杀后，李自成看到吴三桂的阵线已开始动摇，便兵分三路：一路由他督率，继续留在石河西与敌对阵，牵制吴军主力；一路由唐通率领，从山海关东北方向出关，至离关10里的一片石（今辽宁绥中县李家台）驻扎，进逼东面的外城切断吴军退路；一路由数千精锐骑兵组成，冲破敌阵西北有，直扑西罗城，援兵继进，分头围攻北翼城和东罗城。21日晚，多尔衮先派兵击败一片石唐通部，使李自成从关内外夹击吴三桂并切断吴军与清军联络计划遭到破坏。但是，农民军“日夜狠攻，关上炮声，夜深不止”，农民军越战越勇，杀声震天，山摇地动，至次日早晨，吴军“危急劳瘁”更甚。虽然昨天夜晚吴三桂已将主力调来加强城防力量，但军心已乱，“叛降”事件时有发生。农民军乘机发动更猛烈的攻势“竟扑边城直上”。守将一面“防奸”，一面“尽力堵战”，又急请吴三桂“拨兵协剿”，这才暂时保住了关城。李自成亲率的20万农民军从三面包围了关内城镇一山海城，又派兵2万骑，从山海西一片石北出口，东突外城，进抵关门，截断吴三桂与关外的通道。形势对农民军颇为有利。由于形势危急万分，而清军又屡请不至，吴三桂只得于22日早晨，率领数百亲兵冒险出关，绕向道左驰清军大营。清军从沈阳发兵之后，既不知北京已被农民军攻占，也不知吴三桂已决心投降。故此仍沿以前入关的路线，由沈阳往西出古长城，渡过辽河，取道蒙古入关。而不是沿古长城内侧取道锦州、宁远一线，直入山海关，以致迟迟不到，使得吴三桂在农民军大军压境之时，对清军望眼欲穿。多尔衮虽于21日晚率清军进至距山海关10余里处，并于一片石击溃大顺军唐通部数百人，但他不敢贸然出战，遂扎营于欢喜岭。吴三桂到欢喜岭威远台上与多尔衮相见，剃发称臣，对天发誓，多尔衮令吴军以白布系肩为标志，首先出战，“一以观三桂之诚伪，一以觇自成之强弱，欲坐收渔人之利”。双方达成协议后，清军入关。
清军入关，使形势发生根本变化。吴三桂所属有精兵4万，加上满汉八旗劲旅14万，力量陡增。21日晚，唐通败于一片石后，“夜遁入关”。此时，李自成已知清兵抵关，对吴三桂勾结清兵也有了思想准备。22日一早，他挥军猛攻关城，想抢在清兵入关前夺下山海关。此计未遂，就改令全军沿石河西边的开阔地带，“自北山横亘至海，列阵以待”。面对李自成摆开的一字长蛇阵，多尔衮令清军“向海列阵，三桂分兵列于右翼之末”，准备集中优势兵力，予以突击。双方列阵时，“时值大风，尘土飞扬，对面不相识”，布完阵后，大风即止”。中午，吴三桂首先率军出战，结果陷入农民军的重围之中，左冲右突，苦战良久，“围开复合”，力渐不支。多尔衮立刻令英王阿济格和豫王多铎率正白旗、镶白旗的2万骑兵为先锋，“三桂阵右突入”。此时，农民军因日夜奋战渐感疲劳，而八旗军却“蓄锐以待”，所以，只见“白旗所至，风卷潮涌，皆披靡莫能当”。李自成正在山上督战，只见大风过后，战场上飘扬着红、黄、兰、白四色旗帜，奔跑的是带甲而辫发的清兵，不觉大惊失色。农民军难以招架，开始由胜转败。下午，多尔衮见农民军阵势已乱，便指挥清军全面出击，吴军也乘机反扑。战局急转直下，李自成本想“麾后军益进”以挽回败局，但被人劝止。农民军经过几番苦战，伤亡惨重，终于全面崩溃。李自成见败局已定，就率“精兵数千，疾走入永平”，26日回到北京。29日称帝，30日即分两路向山西撤退。
山海关战役的意义十分重大，对农民军和清朝都是一个至关重要的转折点。以李自成为首的大顺农民军，是代表广大人民利益的正义之师，经过长期的艰苦奋斗，取得了伟大的胜利。但是，李自成在胜利面前产生了骄傲轻敌思想，对满汉统治阶级的联合进攻缺乏预见，入京前后，没有根据形势发展的需要，及时调整政策，提出新的战略方针，所以很快就从胜利的巅峰上跌落下来，从此一蹶不振。然而，对于清朝统治者来说，“定鼎燕都，一统之基，实始于石河一战”。有了山海关战役的胜利，他们才有可能一步步地爬上全国统治权力的顶峰。
山海关战役之后，清军直逼北京，形势急转直下。农民军人心动摇，部署已乱。5月2日，吴三桂诳称迎明太子进城，将摄政王多尔衮和清兵引进北京。10月间，清王朝统治者福临迁入北京，10月31日（阴历十月初一日）即皇帝位，“号曰大清，定鼎燕京，纪元顺治”，标志着清王朝在关内的统治从此开始。