对于孙传庭部的出关，明廷内部存在着严重的意见分歧。朱由检幻想孙传庭部出关，将同长江中游的左良玉部合歼起义军，力主孙部尽早出关；陕西籍的一些官僚也由于孙传庭征兵征饷加重了自己乡土的负担，抱着以邻为壑的心理赞同叫孙传庭早早出关。孙传庭自己在冢头镇吃过败仗，明知农民军势大难敌，指望多争取一些时间练兵储饷，加强实力，尽量拖延出关的时间。其他一些大臣却内心忐忑不安，他们盘算过朝廷现有兵力主要是三个集团：辽东的军队虽然比较精锐，但抵御清兵已难以胜任，实在无法移调；左良玉部号称兵多将广，实际上畏敌避战，跋扈难用；可以用来对付起义军的唯一王牌，只有孙传庭统率的陕西官军。孙传庭部倾巢出动要是真能取胜，自然是如天之福；但是，他们也感到这种侥幸取胜的希望毕竟非常微弱，如果孙传庭部一旦被歼，明王朝的覆灭就注定了。因此，他们极力主张慎重行事。有的大臣直截了当地向崇祯皇帝说明利害，指出孙传庭部在陕西不动的话，起义军要北攻京师或东下南京都难免有后顾之忧；如果李自成义军打算先取陕西，孙传庭可以不脱离自己的后方基地，固守潼关，比孤军深入河南、湖广要有利得多。兵部侍郎张凤翔说得最为恳切：“孙传庭所有皆天下精兵良将，皇上只有此一付家当，不可轻动。”朱由检眼看农民起义的烽火一天天蔓延，恨不得将它一口吞下，加之他吝啬成性，唯恐孙传庭老师糜饷。所以听到主张持重的意见就大不悦耳，狠狠地瞪了张凤翔一眼。周围的大臣心领神会，一个个便义形于色地支持出兵。朝廷催促孙传庭出关的使者接踵而至，传庭顿足叹曰：“吾固知战未必捷，然侥幸有万一功。大丈夫岂复能对狱吏乎！”他怀着渺茫的希望，勉强上疏报告了出师的日期。
孙传庭的上疏出关，固然是迫于朝廷严旨，他自己也确实存在相当的侥幸心理。他认为上次冢头之败，证明陕西兵还是能打仗的，只是由于偶然的原因才招致失败。另一个因素是他正好接到窃据了农民政权兵政府侍郎要职的丘之陶的密报，说待李自成领兵北上河南迎敌陕西官军时，他将捏造左良玉部进犯襄阳的情报，迫使自成退师，然后乘衅而起，内外夹攻，可以一举打败义军。此外，在郧阳负隅顽抗的高斗枢也派人潜来西安，询问出师日期，表示要配合作战。正是在这种情况下，孙传庭觉得可以碰一碰运气了。
八月初一日，孙传庭在西安关帝庙誓师。选择这个场所，自然是为了托庇于“武圣”之灵。典礼既毕，他即命总兵马爌、秦翼明随陕西巡抚冯师孔，取道商洛进河南南阳地区作为偏师；自己则统率总兵白广恩、高杰、牛成虎等部共十万人马东出潼关。同时檄调河南总兵陈永福于洛阳会师，檄左良玉统兵西上，夹攻起义军。
李自成早已得到陕西官军将要出关的消息，从这年的四五月间起就源源不断地调兵北上，加强了河南的防务。接着又亲统大军北上河南，集中力量准备迎敌孙传庭部的来犯。他根据河南境内由于天灾人祸造成了赤地千里，大军所过，粮草问题不易解决的状况，决定在战略上采取诱敌深入的方针，把主力部署在郏县以南地区。至于从潼关到郏县的广阔地带，除留下为数不多的巡逻部队以外，“凡郡邑城俱不置守具”。
八月上旬，陕西官军重占洛阳。孙传庭左右的谋士提出建议，不要急于冒进，应采取稳扎稳打的办法，先以洛阳为基地，修复城堞，招徕流民，开屯田，储粮草，这样进可以战，退可以守，待时机成熟时再进取中原。孙传庭终畏朝命，不敢逗留，还是领兵向南进发。为了保证军需，朝廷下令由山西平阳（今临汾）等府、县协解米豆，地方官“催逼严急，里老有自缢而死者，运夫有淹没河中者。人情汹汹，莫知所措。”
李自成见孙传庭部来势凶猛，便故意示弱，只派出小部队稍加阻击随即南撤。陕西官军轻易地一直打到宝丰县。这意外的胜利使孙传庭由心虚胆怯一变而为头脑膨胀。他沿途滥杀居民，斩级计功，并向朝廷报捷说：“贼闻臣名皆溃。臣誓清楚豫，不以一贼遗君父忧。”朱由检得报大喜，欣欣然把孙传庭的报捷书交朝臣传阅，梦呓般地叫嚷：“贼灭亡在旦夕！”甚至急不可耐地面谕吏、兵，工三部：“督师驻兵豫中，屡报战胜，土寨多已招安。各镇、抚宜整旅渡河，星速赴任。规避不前者飞参重治。一面招抚流移，开垦荒芜；一面修复城池，安插民众。仍饬河北各府输輓粮草，接济督师，山西附近地方派运不得迟误，功收万全。通侯之赏，断不少靳。”看来，他已经着乎准备给功臣们加官论赏了。但兵部尚书冯元飙却忧心如焚地顿首说：“贼故见羸以诱我师，兵法之所忌也。臣不能无忧。”弄得朱由检大为扫兴，好半天说不出话来。
孙传庭所统的官军，一路上拼命搜括居民的粮草财物，残酷地对农民政权管辖下的人民实行阶级报复。九月八日，兵至汝州，义军都尉李养纯投降。九日，抵宝丰城下。李自成任命的宝州牧陈可新、州判姜鲤组织百姓据城抵御。十二日晚，有绅衿二百八十八人私自出城投降，“城遂破，诸军蜂拥入，城中鼎沸，火光照若白昼。”陈可新、姜鲤等均被捕杀。孙传庭从投降的二百八十八人中，“择二高年，命一一指名，不能名者十余人，疑为贼，斩之。”对其他城中百姓，更借口“为贼固守”，全部杀光。官军别部于十二日夜攻占唐县时，也借口义军老营曾留在该县，将全城居民屠戮殆尽。
这时，隐藏在农民政权内部的奸细丘之陶认为时机已到，利用他窃据的兵政府侍郎的职务，向在前线指挥作战的李自成发出伪造的情报，谎说左良玉部官军从东面进攻襄阳，后方形势危急。可是，他和孙传庭都没有料到自己的阴谋已经败露。原来，孙传庭接到丘之陶表示愿意充当内应的密信后，欣喜异常，除了转报朝廷外，还亲自给丘之陶写了一封回信，加意联络。这封回信被义军巡逻战士截获。李自成不动声色，只是暗中加以提防。丘之陶的假情报一送到，李自成立即派人把他叫来，拿出孙传庭的回信揭穿了他的内奸面目，处以死刑。
内奸既除，更好全力对敌。九月十四日，义军同官军接战于郏县。义军初战失利，果毅将军谢君友被俘杀。但这只是局部性的挫败。由于李自成的诱敌深入的基本战略是正确的，整个战局很快就扭转了过来。官军孤军深入，距离后方供应基地越来越远。又值大雨滂沱，道路一片泥泞，官军粮车进展缓慢，前线的士卒和马匹饥瘦不堪。有人劝孙传庭回师就粮，孙传庭却回答说：“师已行，即还亦饥，不如破郏县就食。”郏县本是个又小又穷的县份，官军破城后只抢到几百匹骡马，几万士卒很快就吃完了。李自成见官军深入绝地，一方面动员群众坚壁清野，使官军无法就地筹粮，一面派大将刘宗敏带着一万多名骑兵由间道抄到官军后方，在河南汝州白沙地方切断明军的饷道。孙传庭闻讯大惊，部下军心不稳。自成此时却用大牌写下战书，指定日期同官军决战。孙传庭无计可施，命河南总兵陈永福留守军营，自己统率嫡系陕西官兵分路撤退，企图打通粮道。陈永福部下的士兵看着陕西兵撤回迎粮，自己却被留下来忍饥挨饿充当替死鬼，都愤恨不平，拒绝服从命令，纷纷跟在陕西官军后面乱跑。“永福虽斩之，不能止。”陈永福知道军心难违，只好随部众北撤。孙传庭部署的阻击部队一逃，义军即乘势发起总攻，官军部伍大乱，遂全线崩溃。总兵白广恩所统火车营军士卒为了逃命，解下拉车的马匹骑上就跑，火车翻倒倾轧，道路也被堵塞。义军铁骑腾越而过，奋勇直追。步兵则手持大棒猛击官军，“中者首与兜鍪俱碎”。官军大败，“死亡四万余人，甲仗马骡数万，尽为贼有”。义军逐北四百余里。孙传庭和总兵高杰收集散亡士卒数千骑北渡黄河，经山西垣曲县绕到潼关。总兵白广恩也领着残兵败卒奔往潼关。
李自成部义军郏县战役的胜利，给了明政府所留下的最精锐的部队——陕西兵以摧毁性的打击，为推翻明王朝的罪恶统治奠定了基础。它在我国古代军事史上也占有重要的地位，作为战例也是值得认真总结的。
孙传庭部精锐的被歼灭，对于李自成部义军来说，跟踪追击，全歼陕西官军残余兵力，趁势夺取关中地区，乃是当然之事。然而，对于义军的这个进军方向，在许多著作中却沿袭了一种不可靠的记载。说李自成在襄阳时，曾同牛金星、杨永裕、顾君恩等商讨过进兵方略，牛金星主张直取京师，杨永裕建议东下南京，顾君恩认为前者失之急，后者失之缓，主张先取陕西，收取三边兵力，然后东取山西、河北。李自成采纳了顾君恩的方案，后来果然夺取了西安，赏给顾君恩女乐一部作为奖励。这种说法颇能引人入胜，不过就当时的形势而言，却尚有商榷的余地。因为，李自成在襄阳的时候，孙传庭正养锐于西安，不能不有所顾忌。他之所以没有东追左良玉部官军，进而夺取南京和江浙财赋之区，原因就是避免孙传庭追蹑其后。至于北上进攻京师更不是一著高棋，因为这样一来孙传庭必然东向夹击义军，左良玉也会利用义军主力北上的机会，夺取襄阳一带，弄得不好有可能前功尽弃。至于先打陕西官军的原因，正如上面所说，是孙传庭出关的消息已确，李自成才把主力调到河南迎头痛击，并不是他主动向陕西进攻的。到郏县战役以后，趁势夺取陕西好比瓜熟蒂落，这时是很少可能在进兵方向上出现争议的。可见，顾君恩献策先取关中之说未必实有其事。