清军到达山海关近郊时，李自成率农民军早先一日达到，已经和吴军在一片石血战了一天，一片石紧挨着山海关，但仍属关外。吴三桂在这次战斗中没有把精兵强将用上，而是抽调了五六万“乡勇”的兵力抵挡农民军的进攻。其余兵力仍然驻守在关内重要峡口。李自成过于自负，本以为不费吹灰之力就能把吴三桂打败，占领山海关，却没料到吴军的作战能力很强，一时竟然攻不破。但从战斗形势上来看，吴军显然已经有些不支。一片石失守退兵后，吴三桂为了保存实力，便把军队撤回关内，并派人火速向已经近在关前却无动兵举措的多尔衮乞师求援。
多尔衮在准备入关时，又突生猜疑之心，怕吴三桂联合农民军引诱自己入关，给自己设下一个陷阱。他与众贝勒商议后得出结论，再静观其战，窥探动静。这时天已大亮，李自成正在调动兵马，准备攻城。吴三桂更加焦急，无法再等下去，便率领十多名将官、数百精骑一口气奔入清军营地，面见多尔衮。多尔衮的后顾之忧才彻底打消掉，并且让多尔衮欢喜的是，这次绝对是收降吴三桂的绝好时机。双方见面，开门见山，一拍即合。吴三桂随即剃发称臣，并又向多尔衮细述了当前的紧急局势。
吴三桂说道：“农民军目前还不知道清军的到来，把兵力全都集中在攻打关城的前头了，后部力量极其薄弱。我们可采取攻首尾斩其腰的战术，打他个措手不及。”
多尔衮默认点头，可在心里却又多留了一个心眼，他觉得此战非同小可，成败是一个关键。农民军既然不知我军前来，从这里便可寻出战机，先让吴三桂派兵迎战农民军，在打到一定程度的时候，自己再率重兵前往，一来可打他个措手不及，二来也算是以逸待劳，减少了自己兵力的损失。“将军对战术上的造诣让本王钦佩不已，由此可见只要我们两军联手，农民军必败无疑。只不过我清军对山海关地势不熟，一旦动起手来势必会吃这方面的亏，我是这样想的……”多尔衮停顿了一下接着说道，“将军既然驻守山海关，对山海关地势一定很熟悉，士兵都擅长在自己统辖的区域作战。所以将军务必先率领所部迎击农民军，我再以迅雷不及掩耳之势冲杀进来，农民军必定会因此而大败！”
吴三桂心里有些不悦，多尔衮的话虽然说得头头是道，但其无非还是在怀疑自己是否真的归顺他了。他极力让自己打头阵，无疑是想坐收渔人之利、收拾残局而已。但形势已经到了这个地步，如果不按照他说的做，结果将会更惨。吴三桂点了点头说道：“亲王分析的句句在理，那就按照您的部署，我先率所部与农民军打头阵。”
此时，李自成没有半点犹豫，他觉得自己这一战肯定是必胜的。吴军的战斗力虽然很强，但是和农民军抗衡简直是以卵击石，不自量力。等杜绝了吴军这样的后患，自己再即位也不迟，那时候自己就不必再为这些战事而费心了。李自成即便是这样想，但他心中还是在无形中起了一丝波澜，昨天和吴军在一片石首战，吴三桂所率领的辽东兵确实是自己有生以来遇到的最强劲的对手。成与败在这时突然变得重要起来，李自成马上把刚才的轻敌之心转化成谨慎应敌的思想。他认为，如果要把吴三桂的兵力彻底打败，自己恐怕要倾巢出兵。
很快，吴三桂率领吴军五万人率先出战，呐喊着飞驰过河，铁骑在先，步兵在后，采取了前冲后杀的战术。李自成指挥大军已在石河西岸红瓦店一带摆开决战的阵势：北自山、南至海，绵亘二三十里，犹如一字长蛇，面向山海关西大门，显出一举夺关的雄壮态势。李自成站在一片高岗上，战局尽收眼底，他心中暗自为吴军感到担心，以两兵的实力来判断，吴军断然没有半点胜算。不知是不是吴三桂昏头了，不倚仗山海关易守难攻的特点守城，却撇开有利于自己的天然工事，率兵打过来了。
李自成看到吴三桂率兵冲杀过来，马上下达了命令，“长蛇”以快速的趋势逶迤过去，准备把吴军围在其中。
刚一交战，忽然起了一阵大风，飞沙走石，腾起的尘土弥漫在空中，咫尺的距离都难以分辨。吴三桂复仇心切，又有清兵作为后援，勇猛倍增，全然失去了先前作战时的慎敌之意。他一边冲杀，一边鼓励全军奋战：“给我杀！‘流寇’虽有阵势，却是不堪一击，杀！”吴军受到鼓舞，士气大增，不顾一切地直冲农民军右翼，挥刀跃马，冲锋陷阵。
农民军也毫不示弱，奋勇进击，前仆后继，对吴军实行三面合围。吴军向左突击，农民军的号旗指向左，迅速进围；吴军向右突击，农民军的旗号则又指向右，再进围。吴军再冲开……如此反复，吴军冲杀数十次，农民军围开又复合，一时间吴军与农民军竟打了个旗鼓相当。只见两军战鼓擂响，战马嘶鸣，人声呐喊，混作一团。更有如雷的炮火声犹如后奏的战乐，箭如雨下，纷纷射入两军阵中，其中一些攻击性强的“飞丸”甚至散射到城内的庙堂附近。
激战已持续到中午，吴军逐渐失去了进攻的势头，眼看已经支持不住了。隐蔽在城内的多尔衮看得十分清楚，他随即召集诸王贝勒及出征的将官，再次动员道：“诸位这次一定要努力，一定要打败敌军。此时敌军虽然已经占了上风，但是军力已经疲惫，我们可分两路攻其首尾，此战必定大胜！”
说完他开始部署兵力，向海的方向鳞次布列，冲击农民军较为薄弱的阵尾，与吴军两头夹攻。他一下达出战命令，整装待发的清骑兵犹如上弦之箭，从城内飞也似的冲了出去。以正白旗骑兵为先锋，后续铺天盖地，一时间清军犹如万马奔腾，呐喊声不绝，锐不可当。清军铁骑以旺盛的锐气，勇猛冲锋。吴军眼看不支，吴三桂正着急，这时看见清军从农民军尾部冲杀过来，顿时振作起来，战场的局势开始扭转。
李自成眼看自己的部队就要把吴军围剿，这时候突然杀出城的一股兵力，让他倒吸了一口冷气，心里诧异至极。这时有一个僧人前来报告说道：“满洲兵已经参战，队伍庞大，怕是早已谋划好的，大王还是赶快撤兵回城吧。这一仗大王要是再打下去，恐怕连翻身的机会都没有了。”
李自成闻言，心中一下子凉了。清军是什么时候入关的，与之相关的细节情报自己都没有掌握，这场仗再打下去自己是必败无疑。眼看着清军杀气腾腾地冲杀过来，自己的部队开始逐渐溃散。
李自成的大将刘宗敏一直在战场厮杀，身上多处受了箭伤，他也不拔，还在坚持战斗。当沙尘散开，“带发辫”的骑兵突然出现在眼前时，农民军不禁大呼：“满兵来了……”于是溃败。前头的农民军一败，迅速波及了整个农民军队伍。农民军的长阵顿时溃散成数段，失去了原先的围攻之势。士兵们纷纷丢弃弓箭、大刀等武器，朝后猛撤，倒下的士兵被后面的士兵踩死不少，一片混乱。大约一顿饭的工夫，随着沙尘远去，石河战场顷刻间变得空旷。清、吴联军紧跟在逃跑的农民军将士后面继续穷追猛打，一直追击了四十里才收兵回营。有很多农民军被追逼到海边，投海淹死的不知有多少。
李自成率领着残兵损将连夜逃到了永平。
山海关之战最终以清军彻底胜利，李自成彻底失败而告终，对于清朝来说，是以数万人的生命和鲜血为它进入北京而举行的一场悲壮的祭奠礼。清军之所以能够在山海关大获全胜，一个主要原因就是吴三桂开关迎降清朝，并以五万辽兵投入，造成对农民军战略上的优势。同时，多尔衮作为清军的统帅，抓住机遇，以正确的战略战术和政策指导这场战争，获得成功绝非偶然。