1644年4月，李自成指挥着大顺军与吴三桂的部队在山海关外展开对峙。此时，北京刚刚被攻占，李自成正处在他人生中最接近统治者的时刻，但在这个关口，却发生了意想不到的变化。山海关是一个战略要地，东连辽西，西接蓟州，控制了这里便可掌握东北通往中原的咽喉。
李自成进入北京后，局势看似对他十分有利，崇祯帝也在1644年4月25日选择自尽，标志着明朝在北京的统治宣告结束。3月19日，大顺军顺利接管了北京的防务和官署，开始追缴权贵财产，为部队筹集军饷，形势并没有一开始就恶化。
然而，真正棘手的对手是山海关的总兵吴三桂。吴三桂手下掌握着一支长期与清军作战的关宁军，虽然规模和人数存在不同说法，但战斗经验相当丰富。明朝灭亡后，他曾有意带领部队投降大顺。李自成也对其青睐有加，派降将唐通前去招揽，并带去相应的财物，希望吴三桂能放弃山海关。
这项计划本来有可能成功，吴三桂的亲族在北京，难免令他关心其安危。吴三桂最初接受了大顺的招降，并开始向内陆移动，但就在这个关键时刻，北京的追赃行动波及了吴家。大顺将领刘宗敏向吴襄索要巨额银两，吴襄未能满足，反而受了折磨。此外，吴三桂的妾陈圆圆被刘宗敏扣押的事件在后来的文学作品中传颂甚广，虽具体经过并不详尽，但这样的变故令吴三桂感到愤怒与失望。
最终，吴三桂意识到自己已经无退路可言。“父亲被囚，家业被掠，我还能信任大顺吗？”这虽然不是他直接的发言，却反映了当时的紧迫形势。选择投降大顺或许会遭受清算，而守住山海关他的兵力又显得微不足道。无奈之下，吴三桂决定重返山海关，击败接收关城的唐通。
此消息迅速传回北京，使李自成感到形势不妙。4月13日，他亲自带领大军东征，携带吴襄以及明朝宗室成员，企图迫使吴三桂再次归顺。虽然大顺军人多势众，自称达到十余万甚至更多，然而部队的整合程度却参差不齐，军纪也存在问题，显然不能仅依靠许多士兵的表面数字。
吴三桂意识到，依靠他自己有限的兵力难以抵挡李自成，与此同时，他派使者杨坤向清国摄政王多尔衮请求援助。多尔衮早已关注中原局势，接到求援后迅速调整军事计划，带领八旗军、蒙古及汉军南下山海关。
这一策略改变了战局的性质。原本吴三桂是在守关求生，而清军则是借机进入中原。多尔衮并未急于行动，而是让李自成与吴三桂互相消耗。4月21日，双方在山海关附近交战，初时大顺军占据上风，吴三桂的局势也岌岌可危。
然而，就在吴军疲惫之际，清军突然从关外发起猛攻。李自成未曾料到，自己实际上面对的是不仅仅是吴三桂的军队。清军骑兵保持完好，而吴军则因使用白布作为标志而识别敌我，战场情况瞬间逆转。在激烈的战斗后，大顺军遭遇重创，阵形迅速崩溃。关于大顺军的具体损失，历史记载并不一致，所谓的“十八万精锐全数被灭”显然是后人夸大。但可以确定的是，刘宗敏受了重伤，多员大将战死，李自成不得不退回北京。
在这场战役中，李自成失败并不是单纯败于吴三桂。从吴三桂的准备、军队的调动到清军的及时介入，几种因素结合才导致了悲惨的结果。4月26日，李自成返回北京，吴襄及其家属被处死，而吴三桂则获得了清朝的封赏。4月29日，李自成在北京举行登基仪式，次日便撤离了京城，清军迅速进入北京，吴三桂由此成为清军南下的重要依靠。
从入城到撤退，大顺政权在北京的实际存续时间不过四十余天。山海关的战役虽然未必决定清朝二百多年统治的全部走向，却确实打开了清军深入中原的门户。李自成失去的，不仅仅是一场战斗，还有重新整合力量、争取各方势力的宝贵时间。而多尔衮的收获，虽是一场军事胜利，但更是通过吴三桂的双手进军中原，号召为崇祯帝复仇，为明宗室复仇，广泛吸收明降臣与地方武装。山海关那几天的胜负，最终影响了明清的权力转换。
