李自成的先头部队比清军早到山海关，吴三桂率军开关迎战，双方互有杀伤。当农民军大部队到达时，吴三桂龟缩在城内，不敢出战。李自成指挥大军在关前安营扎寨，并派唐通（原明降将）等率另一支部队绕到关外，截断吴三桂与关外的通道，形成对山海关包围之势。
多尔衮也率清军昼夜兼程，赶到关外十里的沙河停下来，以观动静。吴三桂派人到清营报告，说有支农民军在一片石附近扎营，威胁山海关。多尔衮传令清军出击，将唐通部队击溃。吴三桂亲率五百骑兵出关，前往清营。他见到多尔衮，拜倒称臣，并剃发易服，表示归顺。接着，吴三桂回到山海关，大开城门，迎接多尔衮大军入城。
四月二十一日，在山海关下摆开了决战阵势：李自成大军布列于关内一侧，吴三桂和清军布列于城内和关外一侧。多尔衮看到农民军气势雄壮，对此战胜负并无十分把握，他对吴三桂说：“约敌兵明天决战。你应率所部打头阵，我从后接应，乘其不备，突然奔袭，必致敌于绝境。”并令吴三桂所部在肩上系上一块白布，以示与农民军的区别。
四月二十二日，决战开始了。李自成带领随从登上西山冈，在一座庙前指挥。多尔衮也带一批将领立马高处，观察农民军阵势，他对吴三桂说：“你部分列右翼，对准它的中坚奋力冲击，那时候，我会接应你的。”进攻令下达后，吴三桂率军向农民军猛攻。农民军见吴军冲来，便张开两翼迅速合围，把吴三桂部队围在当中。突然，天色变暗，狂风大作，飞沙走石，农民军顶风冲杀，吴三桂挥兵拼死抵挡。大战从上午一直打到中午，吴军渐渐招架不住。
隐蔽在阵后观战的多尔衮见时机已到，下令清军出击。蓄锐以待的数万清军从吴三桂军队右侧突然出现，飞矢如雨，锐不可当。农民军猝不及防，被冲开了一道缺口。农民军战士激战了一个上午，已经，抵不住这凶猛的攻势，阵势混乱。李自成在山岗上看到这种情况，忙问：“那是谁家的兵？”旁边人回答：“这不是吴兵，必是东兵（清兵）来了。”李自成想重新组织兵马，稳住阵角，但已来不及了。农民军将领刘宗敏也被乱箭射中，只得且战且退。李自成沉吟片刻，便策马下山岗，指挥农民军撤离山海关而去。清军一直追了四十里才收兵。