三桂与清兵两军合力下，李自成起义军寡不敌众，只好撤退，于是山海关大门洞开，清军大批进关驰入中原。
清兵进关后，见大顺军从北山至海边排列成一字长蛇阵，多尔衮即令清军沿近海处鳞次布列，吴三桂军排列于清军的右边，采取重点突破战术。这时正值大风扬尘，能见度很低，清军得以从容布阵。少顷，风止，多尔衮一声令下，清军呼啸出击，万马奔腾，飞矢如蝗。大顺军虽拼死抵抗，但强弱易形，兵员同吴三桂军已鏖战一昼夜，面对以逸待劳的清军很快就被击败，阵容大乱，大将刘宗敏也负了伤。李自成立马小岗阜上见败局已定，下令急速撤退。行至永平府范家店时，李自成决定将吴襄处斩。二十六日，回到北京，又杀吴三桂家属三十四口，可见李自成对吴三桂的勾引清兵、叛变欺诈极为痛恨。而吴三桂却在山海关战役刚刚结束就率领关辽军民剃发降清，由多尔衮承制封为平定王。
大顺军败回北京以后，李自成曾经考虑过据守北京，二十七、二十八两日采取了备战措施，责令军民火速拆除城外羊马墙及护城河旁房屋。但是，经过斟酌，大顺军领导人终于决定放弃北京，主动西撤。这是因为大顺军在北京地区不可能集中一支足以固守待援的兵力，跟踪而来的清军一旦围城，大顺政权的领导人物和败回兵将就可能成为瓮中之鳖；加上城内居民亲眼看到大顺军败阵而回的狼狈情况，讹言四起，潜在的敌对势力也待衅而动。在这种形势下，李自成断然决定二十九日在北京举行即位典礼后，立即率部西撤。离京前“分付阖城人民，俱各出城避难”，同时下令放火焚毁明代宫殿和各门城楼。大顺军撤退时，“城中扶老携幼西奔者络绎不绝”，一些明朝降官如龚鼎孳、涂必泓等人也自动随军西行。这说明大顺政权在当时仍有相当威望，城中官民对此后局势的变化尚难逆料。
清军在山海关地区作了短暂的休整，即向北京进发。四月三十日晚上，多尔衮在蓟县获悉大顺军已经撤离北京，命令多铎、阿济格和吴三桂等带领精兵火速追击，目的是进一步重创大顺军，尽量截留被大顺军运走的金银财物。他自己率领部分兵力于五月初二日由朝阳门进入北
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