背景
公元1643年（清崇德八年，明崇禎十六年），清太宗皇太極駕崩，清世祖福臨繼位，因福臨年幼，由多爾袞和濟爾哈朗輔政。多爾袞洞悉明朝連年與農民軍交戰，已呈土崩瓦解之勢，認為入主中原時機已到。
公元1644年（清順治元年，明崇禎十七年）正月，多爾袞以清帝名義致書大順軍，提出協謀同力並取中原的策略，李自成未予理會。 四月初九，多爾袞以奉命大將軍統率滿、蒙、漢八旗軍十餘萬人，離盛京（今瀋陽）西進。十一日，至遼河，聞李自成大順軍於三月十九攻取京師（今北京），明朝已亡，遂採納明降將洪承疇建議，決意率兵經密雲（今屬北京）、薊州（今天津薊縣）一帶南下，直趨北京。由攻明轉為與李自成爭奪全國的統治權。
各方兵力
大順軍
大順軍出征山海關的兵馬數各書記載相距甚大，此據查繼佐《罪惟錄》卷三十一，《孤臣紀哭》雲“兵六萬”；陳濟生的《再生傳略（下），燕都日記》說率兵五萬：《明史》流賊列傳稱率兵二十萬；《吳三桂紀略》記“發兵十萬，號三十萬”；《甲申傳信錄》說十餘萬。《流寇志》說“自成合兵十餘萬攻之”。《清實錄》中認為李自成軍有“二十餘萬”。近人商鴻逵撰文《明清之際山海關戰役的真相考察》考證，大順軍東征部隊不超過六萬人。
清軍
《沈館錄》云：清兵“蒙古人居多焉”。顧誠《南明史》稱清軍大約七、八萬。
吳三桂部
《三垣筆紀》載三桂“募兵七千”，《庭聞錄》載三桂收潰卒，降唐通兵“約2萬人”
過程
行軍
吳三桂率兵四萬原駐守寧遠（今遼寧興城），阻止清軍逕入山海關。在大順軍直逼京畿時，吳三桂奉命率兵進關入衛京師，行抵豐潤（今屬河北），聞京師已破，崇禎帝朱由檢自縊，遂折返山海關。李自成乃令明降將唐通領兵八千赴山海關招降。吳三桂反覆思慮後決意歸順，率軍離山海關進京，行至永平（今盧龍）西沙河驛時，遇從北京逃出的家人，得知父吳襄在京遭農民軍拷掠，愛妾陳圓圓被奪占，於是頓改初衷，打著為崇禎帝復仇旗號，拒降李自成，還師山海關，襲擊唐通部。
李自成聞訊，即召文武大臣商討對策，確定征撫兼施。在唐通一再告急求援時，李自成於四月十三命權將軍劉宗敏等率兵約十萬（一說六萬 ）向山海關進發。為爭取吳三桂，攜明朝太子朱慈烺和吳襄隨軍同行。吳三桂料不能敵，遂遣使致書多爾袞求援。清軍在翁後（在今遼寧阜新境）遇吳三桂使者，遂改道從連山（在今葫蘆島市境）、寧遠一線日夜兼程，疾趨山海關。清兵自四月初九出發，四月二十日，清兵抵連山（今葫蘆島市連山區），吳三桂一再催兵，清兵知李自成軍迫近山海關，日夜急行，一日夜疾行二百餘里，共行軍十三日。
交鋒
李自成對清軍情況不明，行動遲緩，四月二十一日才抵達山海關下，在石河西岸與吳三桂部成對峙之勢。同日，李自成的大順軍與吳三桂於一片石、西羅城進行惡戰，甫開戰吳軍小勝於西羅城，接著李自成軍猛攻東羅、北翼二城。
當晚，清軍進至山海關外15里處一線集結。山海關北依角山，南傍渤海， 城高牆堅， 外築羅城、翼城互為犄角，易守難攻。守軍除吳三桂部外，還有山海關總兵高第部一萬、鄉勇約三萬人。李自成抵關當日，向吳三桂發出逼降通牒，遭拒絕後，一面令唐通、白廣恩部近二萬人從一片石（今遼寧綏中九門口）出邊立營，斷吳三桂退路，一面以主力六萬分別對西羅、北翼和東羅城猛攻。吳三桂以主力列陣於西羅城石河以西一線，阻止大順軍攻關。雙方激戰於西羅城附近，守軍為擺脫困境，詐降誘大順軍數千人抵近城垣，在城上突發火炮。大順軍死傷甚眾，被迫後撤。在北翼城，大順軍利用居高臨下地形，猛攻城垣，激戰至翌日黎明，迫守軍一部投降。但因其他各城未下，大順軍未能進據羅城。二十一日夜，唐通部在一片石被清軍擊敗，餘眾退入關內。經一日激戰，多爾袞已知大順軍虛實，遂採用以逸待勞、後發制人的慎戰之策，欲待大順軍與吳三桂部連戰疲憊時，突出奇兵，一舉取勝。
決戰
陰曆四月二十二日清晨，清軍進至離山海關城僅二里，吳三桂見情勢危急，率輕騎寥寥數員衝出重圍、飛奔至關城東二里的威遠堡清軍營壘，跪降於多爾袞。多爾袞當即“賜坐賜茶，面諭關門為第一功”，吳三桂表示：“倘若清軍不願助山海關明軍，我也不願返回山海關督戰，李自成大軍必在攻陷山海關後，一鼓作氣攻向清軍！”云云；多爾袞見吳三桂歸順非詐，接受吳三桂的請求，多爾袞令吳三桂按滿洲習俗剃頭，許諾將皇太極女建寧公主嫁給吳子吳應熊。並偕和碩英郡王阿濟格、多羅郡王多鐸率勁旅八萬，分別從南水門、北水門、關中門進入關內，令吳三桂部系以白布為號任前鋒。
陰曆四月二十三日辰時（上午8點）以前，吳三桂軍漸難支撐，據守北翼城的一支吳三桂軍向大順軍投降，多爾袞在歡喜嶺的威遠台上觀戰，下令清軍從南水門、北水門、關中門三路進關。
大順軍因攻堅一晝夜未能奪關，乃改取野戰，自角山至渤海投入全部兵力，布一字長蛇陣，成決戰架勢。多爾袞以吳三桂部為右翼迎戰，重兵則鱗次列陣於渤海濱大順軍陣尾薄弱處，待機出擊，並告誡各部不得急進。大順軍不明清軍意圖，仍按原計畫向吳三桂軍緊逼，令旗左右揮動，來回衝殺。吳三桂因有清軍壓陣，頑強抵禦。
此時大風突起，揚塵蔽天，不利於不熟悉山海關地理的大順軍，雙方展開肉搏，大順軍不顧傷亡，把吳三桂部團團圍住，血戰至中午，雙方均已疲憊，損失甚眾。
多爾袞見勢，急令阿濟格、多鐸各率2萬精騎，乘風勢、揮白旗，對陣直衝大順軍。萬馬奔騰，飛矢如蝗，大風漸止，疲憊的大順軍見清軍驟至，猝不及防，陣腳漸亂，傷亡慘重。未尾申時初（15點後），李自成的大順軍潰敗，劉宗敏中箭傷，大順軍死者數萬 ；牛金星在北京未領軍前來支援李自成，也是大順軍敗戰原因之一。
李自成立馬小崗阜上督戰，有一僧人跪在他的馬前說：“執白旗的騎兵不是關寧兵，必是滿洲兵，大王趕快迴避。”李自成見敗局已定，急令餘部且戰且向永平方向撤退。當天，多爾袞封吳三桂為平西王，命他作先導，一路追殺，直撲京城。
當清軍追至范家店，李自成殺吳襄以泄忿，並將他的首級懸掛在高竿上示眾，回師京城後又殺了吳家老少三十八口。陰曆四月二十九日，李自成在北京稱帝，次日，李自成離開北京，向西安撤退。前後僅四十二天。
在清軍於1644年陽曆6月6日進入北京之後，將都城從盛京遷往北京。
結局
此戰，李自成大順軍對清軍入關助戰毫無準備，同時缺乏對清軍騎兵作戰的經驗，終為清軍所乘，精銳遭受重創，未能再起。清軍乘勢占領北京，取得全國政權。
評價
顧誠評斷山海關之役：“李自成等大順軍領導人，在一片凱歌聲中滋長了驕傲輕敵的思想，對於隨著明王朝的土崩瓦解而必然出現的滿洲貴族的武裝干涉，缺乏清醒的估計。這首先表現在，大順軍渡河東征時調集的兵員不夠。當時，大順軍兵力總數在百萬以上，但平定西北地區後派駐各地的軍隊數量過多，占領山西、河北、山東等地後，又在各戰略要地分別駐軍，使兵力進一步分散。”“他們的行動卻給人一種強烈的印象，似乎在他們心目中明、清之戰是‘前朝’的事情，自己並沒有同清方交惡，完全可以井水不犯河水，各自安心過日子。”
