李自成得到败军的报告大怒，率领大顺军到达山海关，随即对东罗、西罗、北翼等城发起猛攻，吴三桂督兵顽抗。大战自辰至午约六个时辰，守御东罗、北翼二城的吴军均濒临危殆难于支撑，当天晚上多尔衮率清军到达山海关，次日凌晨，吴三桂以炮轰击大顺军的包围圈，从隙道突围直驰清营，拜见多尔衮，剃发称臣。
狡猾而机敏的多尔衮不愿意与大顺军硬拼，于是命吴三桂打头阵，自己则蓄锐不发按兵不动，吴三桂倾精锐而出，大顺军英勇搏战，到了午后，大顺军将吴军紧紧包围起来，吴军东驰西突，苦战良久，已经不能支撑，正当双方精疲力竭时，作壁上观的清军从阵右冲出，由于清军猝然从阵中冲出，大顺军措手不及，忽然间狂风大作，大顺军将士睁不开眼，终于败下阵来。
李自成率骑兵数千急忙退至永平，各首领和散失的大顺军也乘夜回到了永平，二十四日，清军和吴三桂军追至永平，李自成的大顺军日夜战斗疲乏已极，根本无法再战，于是阻击了一阵之后，李自成就放弃了永平，于二十七日率军逃到了北京城。