山海关是万里长城东段的起点，居诸关隘之首的“天下第一关”。它的关城与长城连接，浑然一体，构成了一座极其坚固而不可逾越的险关。
山海关的主体建筑关城，呈四方形，周长八里一百三十七步四尺，环以护城河，宽五丈，深二丈五尺。关城东西南北各设一座关门：东门叫“镇东”、西门叫“迎恩”、南门叫“望洋”、北门叫“威远”。在东西两门外，与关城紧密相连有两座小城，称罗城。它是为加强关门的防御能力而建的。在东门外的，叫东罗城，西门外的，叫西罗城。东罗城建于万历十二年（1584年），其城墙高二丈三尺四寸，周长五百四十二丈四尺，东、南、北三面各设一个门，门外有护城河环绕；再有水门两个、角楼两个、敌楼七个。在与东罗城相交接的城墙上，还有两座楼，用以屯兵设防。西罗城在关城内侧，西门外。迟至崇祯十六年才动工修建，只修了一个西门，明朝就灭亡了，工程随之而停止。
在关城南北两侧两里处，长城的内侧，南水关、北水关附近，各建一座小城，称翼城。南侧的，叫南翼城；北侧的，叫北翼城。城墙高二丈余，周长三百七十七丈四尺九寸。各设南北两个门。南北翼城是驻关的防兵屯驻之处，它从南北两个方向拱卫关城。参见罗哲文：《长城》，北京出版社，1982年版。
山海关城，依山临海，与长城连为一体，于城外设城，门外设门，构思奇妙，防御十分严密，自成一完备体系。只要有足够的军队防守，任何强大的敌人很难破关。自清太祖努尔哈赤，特别是到清太宗皇太极时期，一直在窥视关门，一心想得到它。可是，他们深惧山海关防御无暇可乘，坚固无比，从不敢履险攻打关城，每次进兵总是绕道内蒙古地区，从长城薄弱的龙井关等处入口。他们望关门而兴叹二十余年。像清军如此强大善战竟不敢兵临关门之前！李自成亲率农民军前来攻关，不能不冒几分风险。
在吴三桂探知李自成率军攻关的消息后，一方面派人出关向清朝请兵；一方面又派出高选、李友松、谭邃环、刘泰临、刘台山、董镇庵等六人作为他的代表，前去李自成军营诈降。［光绪］《永平府志》，卷58，“高选传”；卷65，“李友松传”。目的是先稳住李自成，延缓其进军，争取时间，既加强关城防御，又便于清军在农民军抵关前赶来。高选六人，“行至三河（河北三河县）遇贼”［民国］《临榆县志》，卷21，“事实篇·乡型”。，与农民军相遇，见李自成，诡称吴三桂愿意投降，希望不要进攻。李自成对此真假难辨，虽不敢全信，仍对三桂抱有希望。不过，他并没有放弃军事进攻，他还是把这六人带在军中，企图亲去招降三桂。因为受到这六人的诈降欺骗，李自成没有急于行军，行速缓慢，给三桂腾出了请兵与备战的时间。
李自成率大军行军九天，迟至四月二十一日才到达山海关。黄昏时清军才至山海关外十五里的地方。李自成兵临山海关前，迎接他的不是吴三桂或他的代表，却是在石河西已摆开阵势的辽兵！他当即识破了三桂诈降的诡计，这时，高选等六人企图逃跑。自成大怒，下令逮捕他们处死，其中一人没抓住，身中三箭，跑掉了。［乾隆］《永平府志》，卷18，“李友松传”。
正像三桂给多尔衮的第二封信中所报告，他已遣精锐兵马出关城，在山海关以西，即石河西岸占据战略要地。三桂部下一位姓佟的副将，并由一个姓臧的将官协同，奉命率部“列营排阵”，自龙王庙至谭家颇罗，又征召当地乡勇三万余人，协助吴军。三桂虑及关城兵少，粮饷不济，就求助当地士绅，组成地主武装，其中有不少知识分子——“生员”参加组织“乡勇”，他们助饷白银7850余两，稽查战马120余匹，以助吴军，他们共同督率这支“乡勇”，经过短期训练，投入战场。转引自［台湾］李光涛：《明末流寇始末》下编，96~98页。
李自成到达山海关时，曾派使者最后一次通令吴三桂投降，遭到拒绝。发现吴军已列阵迎战，不再对三桂抱有幻想，迅即部署兵力；一在石河西，以主力作正面进攻，一派唐通率少部骑兵迅速从九门口出关，绕到关外，至一片石立营，《清世祖实录》，卷4，16页。截住三桂东逃之路，与关内一侧农民军夹击吴军。
战斗首先在石河西（今山海关区燕塞湖一带）展开。
这是一场拼死的恶战，吴军与农民军部发挥出最大的战斗力，以战胜对方。据战后三桂部将姓臧的报告：他与其他将官作前锋，与农民军“死战”，“连杀数十余阵”。农民军又发动突袭，冲入佟副将营内，他发现后，急率兵解救，将农民军击退。又据三桂的教官战报：他督率的乡勇同吴军配合作战，向农民军发起一次次冲锋，生员谭有养、刘以祯等冲入农民军营中被击毙，还有一些生员被击伤。
战斗从早晨开始，一直激战到中午，吴军与乡勇有些招架不住，西北防线被突破。有数千名农民军骑兵飞奔至关城的西罗城北侧，正要登城，守御此处的吴将又以伪降欺骗攻城的农民军将领，暗中传令偏将从北坡鱼贯而下，偷袭农民军，同时，城上守兵轰击，农民军的进攻被打退，遭受严重伤亡。
农民军大战石河西，李自成又以部分兵力攻打北翼城。“此城逼山受敌”，农民军集中兵力直取，欲打开一缺口，占领山海关，因此“日夜狠攻”。负责指挥守北翼城的山海关副总兵冷允登拼死防守，屡次击退，又屡次进攻。至次日晨，农民军蜂拥强攻，竟直扑到城下，有的已登城，情况十分危机，冷允登只得率亲丁拼力堵击。“正在呼吸存亡之间”，急请三桂拨兵支援，及时赶到，才把已爬上城的大批农民军击落至城下。《明清史料》丙编第5本，414页。当地乡绅马维熙、刘克礼、吕鸣章等十人率乡勇“总理”和“协理”镇城与东、西罗城，而东罗城“孤当贼冲，危机劳瘁，倍于两城”《明清史料》丙编第5本，449页。。马维熙等备击农民军，保住了东罗城。
吴军在处于劣势的情况下，承受住了英勇善战的农民军的不间断的重击，与之大战一整天，曾几度危机，又几度转危为安。战况已显示出吴军的顽强战斗力，称得上是一支劲旅。这是其他各镇明兵所不能比的，也不是农民军向北京进军中所遇到的那些一触即溃的明兵。战况表明，吴军并不是如人们所想像，以为它不堪一击，农民军可以轻而易举得到山海关。事实的确不是这么简单。农民军要想彻底击败吴军，必须要付出更高的代价。
当天晚上，三桂见农民军锐气正盛，便把主力撤回关城，双方转为炮击不止，爆炸声在夜空中轰鸣，如天际的雷声，显得沉闷、有力，似乎大地也为之抖动，刚进至距山海关十五里外的清军不由得一阵心悸……
有诗为证：
《临榆县志》，卷8，《舆地编·纪事》。
这十句诗说的正是二十一日一整天的战事。不事渲染，也无夸张，为我们再现了当时双方争战的一幅清晰的画面。
多尔衮刚出营，三桂的哨骑便来报告农民军已占领一片石。他当即命令诸王各率精兵向农民军发起攻击，图赖率前锋兵与唐通的骑兵数百人相遇，一举将其击败，生擒两人。《清世祖实录》，卷4，16页。又，《国榷》、《庭闻录》及《圣武纪》皆说唐通部两万人于一片石立营，并与清兵进行战斗。考其两说，李自成派唐通统率数百人出关一片石，兵力如此之少，不足与关内一侧农民军夹击吴军，似不大可能。《明季北略》载三桂“突围”出关外，面谒多尔衮，可见关外一侧仍受到唐通部包围。这表明清军已开始参战。这次战斗，规模不大，更激烈而又具有决定性意义的战斗，是次日的第二次石河大战。
吴三桂料定明日必有一场恶战。他为清军迟迟不进关而十分焦急，一夜之中，连续多次派使者至清营，敦请多尔衮尽速入关。据载：“三桂遣使者相望于道，往返凡八次。”《明季北略》，卷20，495页。中华书局，1983年版。处事谨慎的多尔衮始信三桂请兵可能真实。至下半夜，他下令清军向山海关移动，黎明时，推进到离山海关只有四五里的欢喜岭。欢喜岭，又叫凄惶岭，位于山海关以东四、五里之地。以往出征或戍人至此，因离家乡而至塞外，心情“凄惶”，戍人返归故乡，至岭，眼望山海关，以举足到家而“欢喜”。见《临榆县志》。只见关上烟尘弥漫，听得“炮声大发”不绝。《沈馆录》，卷7，2841页。到这时，多尔衮还没有完全释去对三桂的疑虑，他与阿济格、多铎密议说：“莫非吴三桂知道我南来，故意设此圈套来引诱我吗？我兵曾三次围过北京，都不能马上攻克，李自成却一举破之。看来，此人的智勇必大过一般人。现在他统大军亲至，志不在小。他是否欲乘此次战胜的精锐，有窥我辽东之意？不如分兵固守，以观察动静。”多尔衮对三桂、李自成都表示了怀疑，为慎重起见，他命令部队驻扎欢喜岭，屯兵不进。“高张旗帜，休息士卒。”《明季北略》，卷20，495页。岭上有一座威远台，筑有城堡，原是山海关前的瞭望哨所。他与诸王进威远台，继续观察动静，又遣使前往山海关，进一步等待三桂的消息。
三桂得知清军已至欢喜岭，还不见清军行动，又急忙派出山海关士绅冯祥聘、吕鸣章、曹时敏、程邱古、佘一元五人代表民意前去敦请。佘一元曾作叙事诗数首，专记此事经过，其中一首写道：
《临榆县志》，卷8，18页。
这首诗真实地记叙了他们五人面谒多尔衮的详细经过。佘一元首先点明清军在二十二日晨已到欢喜岭，三桂委托他们代表他去见摄政王多尔衮，并嘱他们速去速回，透露出三桂的急迫心情。他们到了威远台，多尔衮立即接见，还有范文程陪同，“赐坐赐茶，款接温蔼”《临榆县志》，卷21，“事实篇·乡型”。。范文程向他们说明清军此次出兵的意图，请他们转告山海关军民不需“疑猜”。多尔衮“煌煌十数语”，无非把他们出征前规定的政策及帮助三桂报君父之仇的堂皇之言解释一番，这使佘一元等五人置信不疑，倍加感激。说完，又一次赐茶，就告辞回关。从诗中所说，已知这次会见短促，因军情紧急，仅“十数语”而罢。
会见结束，多尔衮派范文程随同佘一元五人返回山海关，面见三桂，“晓谕军民”，通告清军即刻入关。范文程是清朝的高级决策人物，他的到来，对三桂是个很大的鼓舞。他跟三桂说了些什么，没留下任何记载。但范一去山海关，三桂即决定面谒多尔衮。这正是多尔衮所渴求的。他迟缓不进兵的目的是，迫使三桂亲自出马，当面把话说清楚。这里面当然包含了诱三桂投降的基本意图。
天已大亮，哨探不断送来农民军正在迅速集结，准备攻城的消息。三桂更是焦急。他感到此时必须亲自走一遭，当面敦请进兵。他点齐十余员将官、精骑数百，三桂出关迎清军的将士人数，各书记载不一，有的说“从数骑”（《鹿樵纪闻》），有的说“将数百骑突围出关外”（《平寇志》），有的更说“自率精锐千余骑出关”（《平吴录》），惟目睹此事的随征朝鲜麟坪大君得其真，说三桂“亲率百骑出城”，此说是（《沈馆录》）。出关“突围”，关上放炮助威，一口气驰至欢喜岭。
多尔衮得知三桂亲自前来，大为兴奋，说：“天下在掌中矣！”《平吴录》。他与洪承畴共同出面接见。
多尔衮问：“此来何意？”
吴三桂斩钉截铁地回答：“请大兵共诛李贼耳！”
“此意果真？”
坐在一旁的洪承畴不等三桂回话，便抢着说：“三桂报君父之仇。岂得不真！”
接着，三桂慷慨而言，“情词恳切”，“声与泪俱下”，力请进兵。《甲申传信录》，卷8，144页。参见《庭闻录》，卷1。
多尔衮不禁为之动容，说：“你们愿为故主复仇，大义可嘉，我领兵前来成全这一美事。先帝（崇祯）时事，在今日不必说，也不忍心说。但昔为敌国，今为一家。我兵进关，若动人一株草、一颗粒，定以军法处死。你们可以通告大小官员百姓，勿须惊慌。”《临榆县志》，卷8，170页。
多尔衮要的当然不是三桂对明朝的忠心，更不是感情愤激的眼泪，他想得到的是三桂投降，以及出兵助战应得的报酬。因此，话题很快就集中到具体条件上来，双方展开了一场开门见山的紧急谈判。他们都谈了些什么，没有留下记载，幸好有《谀闻续笔》一书卷一载其事：
桂念腹背受敌，势不得全，乃与清帅约云：“从吾言，并力击贼，吾取北京归汝。不从吾言，等死耳，请决一战。”（多尔衮）问所欲？曰：“毋伤百姓，毋犯陵寝。访东宫及二王所在，立之南京，黄河为界，通南北好。”清帅许之，攥刀说誓，而以兵若干，助桂击贼。
这里，三桂提出酬谢清朝的条件，归结起来，一是寻找到崇祯的太子，在南京重建大明政权；二是以黄河为界，以北归清，以南归大明，两国通好，互不侵犯；三是，请清兵入北京，不得侵犯明历朝皇帝陵寝，也不得伤害百姓。三个条件以前两条最为重要。
问题是，三桂与多尔衮果真达成如上协议吗？应该说，从后来的种种迹象透露出这一协议的真实性。首先，三桂的第一封请兵信中已先自提出“裂土”酬谢的许诺；在第二封信中，他表示，击败李自成，“京东西可传檄而定”，并许下“财土亦得，何事不成”的诺言。他与多尔衮谈判时不会自食其言。“裂土”何处？亦如谈判中约定以黄河为界，河之北即分给清朝，这与三桂信中提出的“裂土”酬谢是一致的。三桂降清后，曾自求封地齐鲁，“且悉用旧人”。《甲申核真略》，41页。齐鲁（山东）正当南北之间，与之黄河为界正相吻合。特别是在山海关决战后，他追击李自成，索要崇祯的太子，并向京城发出迎立东宫的通知。显然也是得到多尔衮的首肯的。清兵进入北京后，并无南下之意，一度声明南北“通和讲好，不负本朝，彼怀继绝之恩，以惇睦邻之谊”。也证明当时确有划黄河为界之约。清朝准备信守《国榷》，卷102，6119页。。当三桂后来叛清，特给康熙帝上书，指责当年多尔衮“顿背前盟”，“贪心无厌，驱兵南入，以致灭我社稷”黄体芳：《醉乡琐志》。。他在讨清的檄文中，公开声讨多尔衮“逆天背盟，乘我内虚，雄踞燕都，窃我先朝神器”《华夷变态》，卷2，53页。。清朝对“背盟”一事不敢正面反驳，避而不答，又反证出三桂的指责不是子虚乌有之事。所有这些，都与《谀闻续笔》记载不谋而合。参见陈生玺：《清兵入关与吴三桂降清问题》，载《中华文史论丛》1981年第2期。此文对吴三桂与多尔衮盟约一事有精辟考证与分析。
清朝出兵前，曾详细讨论并确定它的战略目标是夺取河北数省，以自己的力量有限尚不敢有更大的希图。它不曾料到会有吴三桂请兵之事，如今他亲自前来，愿与清兵合击李自成，这等于借助吴兵消灭清的劲敌，而三桂又借助清兵之力雪君父之仇。两者在对付农民军这个问题上利益完全一致。多尔衮何乐而不为！三桂提出“裂土”酬谢，把黄河以北土地让给清朝，是完全符合它的既定的目标的。当时，军情紧急未能商细节，就基本原则问题达成了协议。有此意料不到的成果，多尔衮高兴的心情是不言而喻的。
满族习俗，凡有大事，如政治、军事性质的结盟等，必得举行仪式，拜天，各出警言，以昭信守。因为清与明素无盟约，多尔衮要求正式盟誓，又提出农民军与吴兵装束甲仗相似，无法辨认，恐致误伤，令三桂与其将士剃发以相区别。形势紧迫，容不得犹豫，三桂慨然应诺：“说的是。我并非懦怯，使我再得万名骑兵，何惧于贼！今为兵少，故向您乞师，盟誓、剃发无恨！”《鹿樵纪闻》，卷1，217页。说完，即行剃发，表示归顺清朝。这是清（后金）建国以来，至清入关前，继李永芳第一个降顺后，吴三桂是最后一个降清的明朝重要将领，也是清入关之际第一个降清的人。
吴三桂降清一事，时人有种种评论。著名史学家谈迁写道：“三桂乞援建州（指清朝），非其意也。………三桂内贼寇，外怵建人，权其两害，势必东款以击寇，而三桂孤矣”。“三桂孤旅，又无一人佐其谋，前门驱虎，后门进狼，至不暇顾，惜哉！”又写道：“甲申之变，仓猝不及料，中外震慑，吴氏不胜其忿，瞋目语难，捐身家以从之。”他认为，在突然的事变面前，“吴氏既不能分身以应，又不能先事以防，天未厌祸，蒙羞左衽，虚五日之期，成九州之痛。寡助之至，未可独责三桂，而揆以春秋责备之义，三桂又安所辞乎！”《国榷》，卷101，6075、6084页。谈迁充分估计了当时的形势和三桂的艰难处境，被迫乞援清军，此实非得已，表示理解。但从春秋之义来衡量，三桂不能不受到责备。
另一文化名士夏允彝，著《幸存录》，其中称赞三桂请兵复仇，如“包胥复楚”，他当之“无愧”。但他“借东夷，而东夷遂吞我中华，岂三桂罪哉？所遭不幸耳”！三桂降清，而清趁机夺了汉人的政权，并非是三桂的罪过，是时代加给他的不幸。当时，一般士绅多表示了赞许的态度，少部分人持批判的立场。如目睹和亲身经历甲申之变的杨士聪，在其《甲申核真略》中痛斥三桂的变节行为，写道：“吴三桂西不能讨贼，东不能守关”，有何功而言？以忠孝来说，他“有何当焉”！
稍后，大约在康熙年间，更有人做了尤为严厉的批判。如《甲申传信录》引述一位刘生的话写道：“自古不子不臣之人，鲜有如吴三桂者。当自成薄城日，假令自成虽迫死君亲，而不图夺其妾，三桂固已卷甲归之矣。徒以嬖妾故，与闯（指李自成）争床笫之私，然后效申胥之泣，乞王师，剿巨寇，彼披发于面，悬首于纛者，曾何足系三桂之心耶？厥后受封于王，又复地僻生恃，鼓浪潢池，而论者因仅诛其晚节，而犹称其昔复仇事，以是知三桂之一身固始终一不忠不孝之人也哉！”如此等等，不一而足。
就当时或稍后人们的认识，对三桂称誉者多，同情者多，即使不赞成他降清，也理解他的处境，不得已而为之。
闲话少说。多尔衮对三桂如此痛快地表态，并剃发，愿意盟誓，不由得大喜，就在威远台设下仪仗，吹螺，杀白马祭天，宰乌牛祭地，向天行礼，歃血订盟，斩衣折箭为誓，《明季北略》，卷20，370页。关于“歃血订盟”，吴三桂后来叛清时，在伐清的檄文中也承认实有其事。表示双方恪守诺言，绝不反悔。
仪式举行完毕，三桂把他所率诸将引见给多尔衮。他考虑到时间万分紧迫，吴兵来不及剃发，便对三桂说：“你回去，可令你的兵士用白布系在肩上，作为记号。不然，同是汉人，无法分辨，恐致误杀。”《清世祖实录》，卷4，16页。说完，令三桂先行，他随后传令清军准备入关。
三桂率随从将士疾驰，返回关城，果断地下令：开城门。于是，山海雄关的东大门洞开，迎接着它的新主人的到来。不一会儿，只见浩浩荡荡的清军分作两路，如两股洪流，飞奔而来：左翼是英王阿济格，统万余骑兵，从北水门入；右翼是豫王多铎，统万余骑兵，从南水门入。多尔衮自率主力三万余骑兵殿后，从关中门入。余部仍驻欢喜岭待命《清世祖实录》，卷4，19页。。有诗为证：
《临榆县志》，卷8，18页。
这四句诗，出自当时山海关一个士绅之口。他对清军的赞扬和对农民军的怒骂是显而易见的。
当清军正在大规模进关时，吴三桂按约定，先率五万余众出战，直奔石河西而去。
李自成指挥大军已在石河西岸的红瓦店一带摆开决战的阵势；北自山，南至海，绵亘二三十里，阵如一字长蛇，面向山海关，展开了一举夺关的态势。自成带少数随从人员，还有崇祯太子等，立马于西北角一座高岗上，在他的背面，燕山峰峦耸峙；在前面，向西南至山海关，向南至海，展现出一片宽阔的平川地带，石河流贯其间，它从燕山谷底流出，南入大海。时值四月下旬（公历已是五月），正是它的枯水季节，水势浅缓，清澈见底，人马涉水，如履平地。自成立马高岗，战场全貌，尽收眼底。此刻，他的心情起伏不定。他起自西北高原，而跃马纵横于中原大地，征战已十多年，出生入死，经历了多少血战！刚到山海关时，他并不把吴军放在眼里，曾说：“吴三桂兵仅三千，我三十万，以一百人捉一人，可用靴尖踢倒！而且三桂与北兵（指清军）久相仇杀，必不相救，即使来救，北兵住满洲，衣粮马匹器械，尚须整顿而来，也得旷日累月。”《吴三桂纪略》。出征前，他还许下诺言：“等攻下山海关，我再即位。”《定思小纪》，73页。他低估了吴军的战斗力，也没想到清兵会来得如此之快，“因此全不提防。”可是，他从昨日（二十一日）与吴军首次战石河，已感到辽东边兵是他与明兵作战以来所遇到的最强劲的对手之一。他已意识到，今后的命运，“成败决于一战”。为了保证这次战役的决定性胜利，他已把全部军队包括精锐都投入了战场《明史纪事本末》，卷78，1363页。。尽管他已倾注了全力，仍不免有几分担心呢！
他正想着，吴军呐喊着飞驰过河。忽然刮起了大风，飞沙走石，尘土蔽空，刮得对面不见人。吴军的呐喊声，伴着狂风怒号声，不顾一切地直冲农民军右翼（即阵首，靠近北山一侧）的后部。农民军毫不畏惧地迎了上去，一场空前的血战开始了。
吴三桂复仇心切，见到农民军分外眼红，又有清兵的后援，勇猛倍增，鼓噪全军奋击。三桂亲自出马，他的大将吴国贵提刀跃马，身先陷阵，被三桂激励起来的士卒个个自奋《甲申传信录》，卷8，144页。，“无不一当百”《明史纪事本末》，卷78，1363页。，在阵中奋力冲突。
农民军毫不示弱，奋勇进击，前者死，后者继进，以优势兵力对吴军实行三面包围。吴军拼力反击，东西驰突。吴军向左突，农民军的号旗左指，迅即进围；吴军向右突，农民军的号旗向右指，再进围，吴三桂再冲开……如此反复，“阵数十交，围开复合”，不知凡几！《流寇志》，卷12。
激战在继续进行。“炮声如雷，矢集如雨。”《沈馆录》，卷7，2841页。李自成立马观战，屡下号令，“连营并进”《明史纪事本末》，卷78，1363页。，吴军逐渐失去进攻的势头……
正当吴军与农民军“酣战”，难解难分之时，多尔衮才进入关城，听得西边喊杀声震耳，金鼓大作，惊天动地，风助喊杀与鼓声，直震百里，战场上的“飞丸乱射”，已散落到城内数里许的庙堂附近。《沈馆录》，“西行日记”卷7，2841页。他不想马上参战，他要看看农民军的虚实，更主要的是，他要利用吴军打头阵消耗农民军的实力，使清军以逸待劳。他召集诸王贝勒、贝子及出征的诸大臣，说：“你们不能越伍躁进，此兵（指农民军）不可轻击，须各努力，破此，大业就会成功。”接着，他部署兵力：清将士向海的方向鳞次布列，冲击农民军的阵尾。《清世祖实录》，卷17，17页。阵首已被吴军咬住，两头进攻，使农民军无法合围。
部署完毕，清军待命。多尔衮继续观阵，寻找战机。
战斗已持续到中午，吴军激战半日，已筋疲力尽，眼看支持不住了。多尔衮看得十分清楚，抓住战机，突然下令突击，蓄锐待战的清军闻令，如弦上之箭，一下子飞也似地冲了出去。三吹角，三声呐喊，以正白旗骑兵为先锋，数万铁骑从吴军的右侧插入，恰似“万马奔腾不可止”《平寇志》，卷11，244页。，惯于骑射的清兵，从马上发射出一批批箭矢，像飞蝗一样密集地射向农民军，刀枪并举，“剑光闪烁”《沈馆录》，卷7，2841页。，锐不可当。
李自成发现白旗一军已冲破农民军阵势，下令后军迎击。可是，农民军也已鏖战半日，处于疲惫状态，加之损伤不少，战斗力急剧下降。而清军铁骑正以旺盛的锐气，勇猛冲锋，其势如“风卷潮涌”，铁骑所至，无不披靡。三桂军得到清军增援，顿时振作起来，与清军展开联合作战，战场形势迅即改观。
李自成正惊异之际，有一僧人急忙跪在他的马前，说：“执白旗的骑兵不是关宁兵（指吴军），必是满洲兵，大王赶快回避。”《平寇志》，卷11，244页。参见《庭闻录》，卷1，《国榷》，卷101，6076页。自成没有说一句话，策马下岗西走。
李自成治军颇严，不得命令，谁也不敢后退。农民军仍在拼搏，大将刘宗敏一直在战场上厮杀，也中箭负伤。当沙尘散开，一发现带发辫的骑兵，都惊呼：“满兵来了！”农民军阵势顿时崩溃：丢戈弃弓矢，忽拉拉地败退下来，自相践踏，一片混乱。吴、清联军穷追猛打，农民军死伤累累，活着的竞相逃跑。约有一顿饭的工夫，随着尘沙远去，石河战场顷刻变得空旷寥廓，《沈馆录》，卷7，2841页。清军、吴军跟在农民军之后，一直追击四十里才收兵。有一部分农民军跑到城东海口处，被清军追上，逐一斩杀，而投海淹死的又不知有多少！关于山海关之战，论著颇多，如顾诚：《明末农民战争史》，周远廉、赵世瑜：《皇父摄政王多尔衮全传》，孙文良、李治亭、邱莲梅：《明清战争史略》等，叙述各有优长，均资备考。
石河之战，是一场拼实力、拼消耗的空前规模的血战，打得十分惨烈。农民军死数万人、大帅十五人。吴军死伤也不少。《国榷》，卷101，6076页。双方留下的尸体已“弥满大野”，沟水尽赤，《明史·李自成传》，卷309，872页。被遗弃的辎重、军械到处都是。据战场目击者佘一元说，石河西的红瓦店一带是交战最为激烈的地方，“凡杀数万人，暴骨盈野，三年收之未尽也。”《临榆县志》，卷9，26页。有《石河吊古诗》一首为证：
《临榆县志》，卷6，4页。此诗为康熙初山海卫掌卫印守备陈廷横所作。此时恰是关门血战二十年。
关门一场血战，其结果竟改变了清朝、李自成、吴三桂的各自命运，而中国的历史进程亦随此而改观。这一点，他们当时都已经意识到了这场战略决战的胜负对自己意味着什么。多尔衮曾说：大业成否在此一战；李自成也知成败在此一战；而吴三桂的命运系于清朝，荣损与俱。清朝是很幸运的，由于种种的偶然，历史最终把一个特大的硕果赠送给了它。对清朝来说，关门血战，不过是以数万人流血为它一统天下举行了一场悲壮的奠基礼。而清朝的得胜，也为三桂开辟了更加辉煌的锦绣前程。这场决战的失败者是李自成，对他而言，是一场真正的悲剧，也是农民军的大悲剧。谚曰：朱家面、李家磨，做好了馍馍，送给对过赵大哥（指爱新觉罗氏）。这未免太不公平。然而，历史对每个人确实无远无近，无亲无疏。事之成败，归之于天意，那是历史唯心主义的胡说；否认个人的主观能动作用（如政策、策略、个人的才能大小等），也不是唯物主义。自成之败，归根到底，是他进北京后一系列的失误，包括对三桂的政策，都表明李自成缺乏政治眼光，不足成大事。他出征山海关，失之轻率，没作准备，就匆匆出师，已伏下了失败的因素。军队的士气已不如前。进北京后，“恣意淫掠，身各怀重赀，无有斗志”，《明季北略》，卷20，371页，参见《平寇志》，卷11，243页。一听说清兵将至，已生怯心，而刚一接战，即溃逃不敢战，招致全线溃败！造成李自成失败的又一个因素，是他遇到了一个正在勃勃兴起的强大敌人——清朝。这是历史既成的客观事实，谁又能回避，甚至逃脱呢？人们不能离开历史已准备好了的条件去创造历史，而只能顺应历史，充分利用已存在的条件，顺应民心，在实践中展开人的本身能动作用的较量。优胜劣败，是自然之理。叹息失败者是不能改变历史的。
一场关系命运的决战——山海关大战就这样悲壮地结束了。在此之前，明王朝的历史被农民军给翻过去了，而经此一战，清军则把农民军的历史给翻过去了，并开辟了它自己历史的新纪元。吴三桂作为大明臣民的历史业已终结。从此，他要为新主人——大清王朝谱写出有声有色的新的历史篇章！正是：
刘献廷：《广阳杂记》，卷1，10页，中华书局，1957年版。
此诗系一少年写给降清的著名诗人吴梅村的。此处借用，赠给三桂不亦宜乎！