关下鏖战
山海关有“天下第一关”之称，中心建有关城，东西有两罗城，南北有两翼城，还有大海和长城可作依托，防御体系十分坚固。4月21日，大顺军对西罗城发起攻击后，中了吴三桂军的诈降之计，在接近城垣时遭到关上火器猛烈轰击，死伤惨重。李自成很快重整队伍，集中力量猛攻北翼、东罗两城。大顺军将士前赴后继，战至中午，成功逼降吴三桂军一部，两城旦夕可下。当日下午，唐通部也从一片石迂回成功。未成想，阿济格和多铎率领的清军于傍晚赶到，将唐通等人击溃。大顺军未能从侧后方对吴三桂军形成夹击之势。
经过一昼夜奋战，大顺军虽占据上风，但终究未能打破吴三桂军防御体系。鉴于清军已抵达战场，李自成决定改变强攻战术，采取野战方式尽快消灭吴三桂军主力，回过头再来对付清军。22日早上，大顺军沿山海关北面的角山至渤海一线全部展开。此时山海关已交清军接防，吴三桂也率主力列阵出击，双方摆出决战架势。战斗开始后，大顺军将吴三桂军团团围住，猛攻不止；下午三时，吴三桂军眼看不支，大顺军也疲惫不堪。在欢喜岭观战的多尔衮见已达到使两军彼此消耗的目的，命阿济格与多铎各率2万精锐骑兵从吴三桂军右翼插入，猛攻大顺军，已奋战一天的大顺军力不能支，纷纷溃退。
此战大顺军共有15位将领牺牲，大将刘宗敏负伤，李自成只好经永平向北京撤退。撤退时，大顺军一路遭到清军和吴三桂军掩杀，伤亡十分惨重。回到北京后，大顺军只剩下骑兵7000人，史载“步卒且尽，伤骑兵过半，所选骁锋战将莫不尽伤”。
“庙算”胜者
山海关大战是清军同大顺军之间爆发的第一次大规模战役。虽然之前双方从未交手，但对彼此的重视程度明显不同。多尔衮一直关注关内形势进展，从洪承畴处了解大顺军虚实后，才决定向中原进军。途中听说大顺军攻破北京，认为“吾尝三围彼都，不能遽克。自成一举破之，其智勇必有大过人者”。为求稳妥，多尔衮一度停下向山海关进军的脚步，直至吴三桂掉头乞降、战局骤变时，才火速令部队一昼夜急行200里赶到战场。在战局并不明朗时，清军先是在吴三桂军背后隐蔽待机，待李自成、吴三桂两军俱已疲惫后，再从侧翼投入精锐骑兵进行包抄，一举击溃大顺军，为进占中原扫清了道路。正验证了孙子所说的“夫未战而庙算胜者，得算多也”。
