初九丙寅日，李自成收到吴三桂的信，大怒，立即处决吴襄全家三十余口，并下令亲自征讨吴三桂。十三日庚午，李自成与刘宗敏、贼军九大将领等率领四十万大军，号称八十万，出京前往山海关，一路上行军七百里。吴三桂闻讯后，痛哭誓师，决心消灭贼军，军队士气大振。
当时李自成的前锋四万人率先抵达山海关，与吴三桂进行了十三次交战，双方互有胜负。十五日壬戌，李自成到达密云。十七日甲戌，李自成主力抵达永平，吴三桂兵力较少，与李自成对峙，从早到晚忙于战斗，无暇吃饭，于是他在关外布置了空营，让百姓装扮成士兵，手持旗帜和鼓守卫，自己则秘密带着士卒入城用餐。不久，李自成逼近吴三桂的外营，将营中的老弱全部杀死，长驱直入城下，包围数圈。接着从门西的一片石，出关东突外城，逼近关内。吴三桂见李自成势大，感觉难以抵挡。他之前已经向满洲请求援兵，此时援兵终于赶到。
清国的九王爷多尔衮（在九大贝勒中排行第九，时称九王爷），也是摄政王，已经与英亲王阿济格、裕亲王多铎率领十万大军，准备进入关内，途中遇到吴三桂的使者，顿时心生疑虑。他们商量说：“难道吴三桂知道我们要南下，故意设下这个陷阱吗？况且我们曾经三次围攻他，都不能轻易攻克，李自成一举就破了他，其智勇必定大大超过我们。如今李自成亲自率大军前来，志向不小，莫非是乘胜准备攻占辽东吗？不如分兵固守，观察动静。”于是停止前进，驻扎在欢喜岭，高举旗帜，让士兵休息，同时派遣使者前往吴三桂营中探查情况。
吴三桂再次派遣使者前往清军请求援助，多尔衮仍然不信。吴三桂请求了三次，多尔衮才相信，但援兵仍未立即出发。吴三桂先后派遣使者在路上相望，往返八次，援兵才全部到达，共有十四万骑兵。吴三桂知道清兵已经在关外，于是突围出外城，疾驰进入清军兵营，拜见多尔衮，自称臣子，并向多尔衮跪拜。双方以白马祭祀上天，建立盟约并许下誓言，率大军入关。
多尔衮率领重兵居于后队，英亲王阿济格负责左翼，统领二万骑兵从西水关进入；裕亲王多铎负责右翼，也统领二万骑兵从东水关进入。于是，吴三桂再次进入关内，抛弃了百姓，打开城门迎接清军。但由于战期紧迫，吴三桂的士兵们还没有剃发，担心无法辨认，半夜时分，秘密命令军士将白布撕成三片，宽如三指，缠绕在身上作为暗号，但因布料不易分辨，于是改用裹脚布（可能为蓝色）撕成三条，作为标记。清兵见到三指布条的，就知道是己方士兵，就不会杀掉。之所以用三数和白色，取意于吴三桂和长白山士兵的丧服装束。然而多尔衮很有谋略，不愿先与李自成轻率交战。十九日丙子，多尔衮让吴三桂作为前锋，与李自成在关内的一片石展开大战，一来观察吴三桂的忠诚与否，一来试探李自成的强弱，想要坐收渔翁之利。直到日暮时分，多尔衮才相信吴三桂的诚意。
二十日丁丑，吴三桂、李自成两军再次交战，战况激烈，多尔衮派遣数万铁骑，以白标为标识，绕至吴三桂军的右侧，势不可挡。当时李自成随同数十骑，挟持明朝太子登上庙冈观战，有僧人进言：“这不是吴三桂的军队，一定是清兵。”建议李自成军队赶快躲避。不久，李自成看到白标清军如风发潮涌般席卷而来，所到之处，闯军无不溃败。闯军大败后，李自成狼狈逃窜，尽管刘宗敏勇冠三军，也身中流箭，身负重伤返回。
当时闯军攻入京城后，任意奸淫抢掠，人人怀揣大量财物，丧失斗志，因此大败。战场上尸体遍布八十余里，马无立足之地，丢弃的辎重不计其数。吴三桂军检查贼兵尸体，发现其中藏有数十两银子，还可以私自取走，但超过百两银子就不敢私藏，必须上交给军队。这是因为怕士兵怀里藏金过多，就不愿意拼死作战，而只想着逃跑。
二十一日戊寅，李自成在永平驻军，吴三桂派人议和，并请求交还明朝太子。李自成命令张若麒带着明朝太子前往吴三桂军中，双方约定停战。吴三桂同意议和，约定李自成撤军，迅速离开京城，吴三桂将拥戴太子即位。李自成要求对方按照约定行事，双方盟誓后，李自成率军返回，吴三桂则按兵不动，因此李自成得以顺利撤退。
二十六日癸未，李自成回到京城，吴三桂将定王留在永平，专程护送太子整军前行，一路上发布檄文，秘密告知远近各地城池相关情况。李自成听到消息后，将崇文、宣武门外的百姓赶出，拆毁民房，牵走牛马。
二十七日，吴三桂派人将檄文送到京城，声称反抗贼寇的义军即将进城，所有臣民应先为先帝服丧，准备好迎接太子。三十日丁亥，李自成向西逃走。五月戊子日初一，皇太子身处吴三桂的军中，向京城中的官员和百姓传达谕令，要求他们各自保持整肃，平静等待。京城百姓得知后，非常欢喜，相互庆祝。
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