1659年（顺治十六年）二月（明大统历闰正月）二十一日，清军渡过怒江逼近腾越州（今云南腾冲），这里是明朝西南边境，山高路险，“径隘箐深，屈曲仅容单骑”。李定国估计清军屡胜之后必然骄兵轻进，决定在怒江以西二十里的磨盘山沿羊肠小道两旁草木丛中设下埋伏，以泰安伯窦名望为初伏，广昌侯高文贵为二伏，武靖侯王国玺为三伏，“埋地雷谷中，约曰：敌尽入，初伏乃发；然地雷，二、三伏乃发。首尾击之，敌尽矣”。埋伏的军队携带预先制作的干粮，以免造饭冒出炊烟被清军察觉。部署已定，清满汉军队在吴三桂等率领下果然以为明军已经望风逃窜，逍遥自在地进入伏击区。正在这一决定胜负之际，明光禄寺少卿卢桂生叛变投敌，把定国设下埋伏的机密报告吴三桂。三桂大惊，立刻下令已进入二伏的清军前锋后撤，向路旁草木丛中搜杀伏兵。明兵因为没有得到号令不敢擅自出战，伤亡很大。窦名望迫不得已下令鸣炮出战；二伏、三伏军从也应声鸣炮，冲入敌军，双方展开一场惊心动魄的恶战，清将固山额真沙里布等被击毙，明将窦名望等也战死。李定国坐镇山阜之上，听见号炮次序不对，知道情况有变化，派后军增援，终于击败吴三桂所统来追清军。但因兵将损失严重，决定离开腾越州（今云南腾冲），令定朔将军吴三省断后并收集溃卒，自己率领主力前往孟定（今云南耿马傣族佤族自治县西之勐定街，他书多讹作孟艮。）卢桂生叛变告密使李定国部署的磨盘山战役未能取得预定效果。卢因在关键时刻有“功”，被清朝赏给云南临元兵备道的官职。
磨盘山战役是李定国统率明军给予占有明显优势的清军最后一次沉重的打击。清廷因损兵折将，大为恼怒，经诸王、大臣会议后于顺治十七年六月惩罚统兵将领；多罗信郡王多尼罚银五千两，多罗平郡王罗可铎罚银四千两，多罗贝勒杜兰罚银二千两，都统济席哈革一拜他喇布勒哈番并所加级，副都统莽古图、傅喀、克星格也受到处分，征南将军赵布泰革职为民。从清廷对三军主帅的处分情况来看，磨盘山之役战斗十分激烈，清军的伤亡肯定相当大。李定国在兵势已如强弩之末时，仍然能够组织和指挥这样一场勇猛的阻击战，证明他不愧是明清之际最杰出的军事家之一。
追剿清军在进抵永昌、腾越、南甸土司一带之后，由于粮草难于接应，在这年闰三月二十四日前后撤回省会昆明。当时，南明军队为数尚多，分别退到边境地区。据清经略洪承畴疏报：除了李定国、白文选、祁三升、沐天波、高文贵、靳统武、杨武、梁杰、吴子圣、吴三省、郭尚贤、王国勋等在云南迤西边境地区外，还有广国公贺九义带领伯、将军、总兵李承爵、雷朝圣、黄元才、王三才、张国用、赵得胜、杨成、彭应伯、何起龙、阎惟龙等部从临安府撤至“沅江府边外（当为元江府）”；“又有伪将军都督邹自贵、马得鸣等领残贼奔逃于顺宁府边外；再有伪伯李如碧等领残贼奔逃于云龙州边外；又伪伯廖鱼等领残贼奔逃于澜沧边外；又伪国公马宝、马惟兴、刘镇国、高启隆等领残贼奔逃于丽江边外。是云南迤西及迤东接界俱所在有贼，所在需兵，先事防备，临时进剿，实为今日至急要著”。只是由于明军撤退时似乎没有一个通盘的计划，兵将虽多，却陷入一片混乱当中，指挥系统失灵，难以集中兵力对入滇清军展开有效的反击。