四月二十一日辰时（早上7-9点），山海关大战正式拉开了大幕。
五万投降的明军向石河以西的三万乡勇发起进攻。虽然这些乡勇都是临时招募而来，但因为后面有正规军压阵，又有关城上的炮火支援，因此表现颇为顽强，“连杀数十余阵”，死伤惨重，但却并不后退。
战至下午时分，李自成看战场局势已成胶着状态，遂下令投入精锐部队发起攻击。这下乡勇终于抵挡不住，开始败退下去。吴三桂见势不妙，马上让第二线的部队投入战斗。但这些明军到底战斗力不行，根本不是老李精锐的对手，打了一阵也开始败退，大顺军开始逼近关城。李自成同时又下令分兵围攻关城南北两面的南翼城、北翼城，企图从侧翼突破山海关。
接近傍晚时分，北翼城守军力不能支，挂出了白旗。吴三桂见此情况，果断率领数百家丁铁骑直奔北翼城，抢在大顺军之前控制住了北翼城，并且打退了企图前来抢城的大顺军。而此时，驻守在关城的家丁铁骑们也发挥了关键作用。他们面对大顺军的进攻，一边开炮猛轰，一边拼命发射箭矢和火铳，终于将大顺军打退。
眼见无法一举拿下山海关，李自成只得下令暂时撤兵回营，准备第二天再发起总攻。夜色降临，战场上尸横遍野，厮杀声暂时归于沉寂，只剩下双方时不时互射火炮发出的轰鸣声。
而就在这天夜里，唐通所率的大顺军赶到了九门口，从九门口出关，进到关前的一片石扎营，准备第二天一举南插到姜女庙，截断吴三桂的退路。但他们做梦也没想到，清军前锋此时已经到了山海关外，即将和他们遭遇了。
茫茫夜色中，清军斥候在搜索侦察中发现了一片石的大顺军。多尔衮听闻之后，当机立断，马上下令对一片石的大顺军发起攻击——他绝不能允许在明天的决战开始时自己的侧后方有这么一股敌军存在。
唐通的人马还没明白是怎么回事，已经被呼啸而至的清军铁骑冲得七零八落，死伤惨重。唐通这个坑爹的家伙，遭此惨败，却既没有回去面见李自成，汇报遭遇清军的情况，也没有带兵据守九门口，为主力部队扼守住左翼，而是直接带着人跑路离开了战场。
这就导致了李自成在第二天的决战开始之前仍然对清军已经到达的信息一无所知，而且导致了大顺军的左翼门户洞开。
值得一提的是，后世的很多著作都把一片石之战说成是清军与大顺军的决战，其实是完全错误的。一片石之战只是清军与大顺军的前哨战，规模不大，和第二天的石河决战完全是两码事。
四月二十二日黎明，吴三桂在微微的晨光中看到了关外驻扎的清军，他立即派乡绅代表出山海关东门，飞奔到距离关城两公里的威远堡，面见多尔衮，请多尔衮速派清军入关助战。
但多尔衮没有立即答应，而是让乡绅代表们回去告诉吴三桂，让他“勿猜疑”。意思很清楚了——入关助战可以，但吴三桂要说清楚，他到底是“借”清兵来打李自成，还是归降清朝。
等到乡绅代表们回到关城向吴三桂汇报了情况时，天色已大亮，此时大顺军营中已经吹起号角，开始整顿队形，很快将发起总攻了。吴三桂知道，自己已经再无和多尔衮讨价还价的本钱了，他终于把心一横，亲自出东门，飞奔到威远堡，当着多尔衮的面剃了头发，表示了自己归降清朝的决心。
吴三桂的态度已经明朗，多尔衮马上下令清军开始入关。他的弟弟豫亲王多铎指挥左翼部队从南水门入关，他的哥哥英亲王阿济格指挥右翼部队从北水门入关，他自己则亲率中军从山海关东门入关。
清军还未完全入关，大顺军已经列好了阵势。从山海关北的角山一直到渤海边，数万大顺军排列成一字长蛇阵，企图一举合围出关作战的吴军。多尔衮在山海关城楼上看到大顺军的列阵，下令左翼清军向渤海边运动并集结，准备从左翼首先发起突击。
这个部署无疑是非常正确的，因为山海关以西战场狭窄，不利于大队骑兵展开，只有向南往海方向才有较为开阔的地带可以展开兵力，且可以避开大顺军正面的精锐，起到出其不意的突击效果。
上午辰时（7-9时），大顺军列阵完毕，开始向吴军发起总攻。吴三桂因为有了清军做后盾，也拿出了全部家底，指挥军队全部出关城，在石河以西同大顺军展开决战。双方从辰时杀到午时（11-13时），都付出很大代价，吴军渐渐显露颓势。
多尔衮在关城上看得清楚，知道时机已到，于是果断下令清军从左翼开始发起突击。刹那间，上万八旗铁骑从渤海边对大顺军右翼发起冲击，已经打得十分疲惫的大顺军完全没有预料到从天而降的这支奇兵，一下陷入混乱之中。双方激战到未时末申时初（15时左右），大顺军终于彻底崩溃，李自成见势不妙，率先遁走，头号大将刘宗敏中箭重伤，被部下拼死救出，其他将领阵亡者数十人。十余万大顺军兵败如山倒，到处狼奔豕突，清军与吴军趁胜追击二十公里，“凡杀数万人，暴骨盈野，三年收之不尽。”
只是因为清军后续大队人马此时还没赶到战场，多尔衮出于慎重，下令停止追击，李自成才得以在御营保护下借着暮色的掩护脱离了战场，并在四月二十三日傍晚退到了永平府。
李自成深知，经此一败，大顺军精锐损失惨重，士气暴跌，可谓元气大伤，已无能力在京畿一带和清军大规模作战了。因此，在永平府的一个昼夜里，他经过思考，做出了艰难的决定：他派人飞马回京，传旨丞相牛金星，马上安排撤离北京，“追赃”得来的金银，务必尽可能全部带回陕西；同时，又下令牛金星尽快安排登基大典。
四月二十四日晚间，李自成从永平府出发，踏上了回京之路。
走到城西二十里的范家庄（今河北滦州市范庄村）时，李自成听说吴三桂已经从山海关追击而来，于是下达了两个命令：第一，将吴三桂的老爸吴襄就地斩首，第二，就地释放了崇祯的太子和定王、永王。
这第一个命令我们不难理解，是为了报复吴三桂。
第二个命令其实是有些令人费解的。李自成此时选择释放崇祯的三位皇子，是否有利用他们造成吴三桂和多尔衮之间矛盾的意图？抑或只是觉得败局已定，带着这三位皇子在身边也已无意义，不如放了以示胸怀？答案不得而知。
经过两个昼夜的疾驰，李自成终于在四月二十六日晚间奔回了北京城。
出征时的十二万大军，才半个月不到，就只剩下了不到三万的残兵败将。而李自成自己，也是蓬头垢面、憔悴不堪。
尽管已是极度疲惫，但形势所迫，他还是硬撑着在当天夜里召开了御前会议，决定两天后举行登基大典，大典一结束就立刻撤出北京。
从这一天夜里开始，北京城陷入了极度的恐慌之中。大顺军为了方便运送金银财物，到处强征骡马骆驼，搞得全城鸡飞狗跳，很多士兵也趁着一片混乱的局面大肆抢劫和奸淫。而此时的李自成，已经无心也无力再维持军纪了。
一个多月前进入北京时“吊民伐罪”、“救民水火”的人设，至此已经彻底崩塌了。
四月二十九日上午，大顺永昌皇帝李自成的登基大典在他下榻的武英殿举行。
一个多月前，当他刚进入北京的时候，他曾梦想在宏伟的皇极殿（即太和殿）举行大顺朝的第一个登基大典。而如今，因为时间紧迫，梦想中的登基大典却只能在武英殿草草举行。毫无疑问，李自成的心情是极度沮丧的。
当天下午，李自成在过了一把皇帝瘾之后，连祭天的传统仪式都来不及举行，就在御营护卫下撤出了北京城。临走之前，他下了一道命令：除武英殿外，将紫禁城其余宫殿全部烧毁——我得不到的东西，你满洲人也休想得到。
四月二十九日夜间，伴随着紫禁城腾起的熊熊火光，最后一支殿后的大顺军部队也撤出了北京城。
从三月十九日进入北京城，到四月二十九日撤出北京城，短短的四十二天，一个王朝定鼎天下的梦想就如同肥皂泡一般破灭了。
李自成和他的大顺王朝，至此开始走向了“下坡路”。而北京也即将迎来一个新主子……