十九日，清军抵达锦州。二十日，大军行至连山，连山在宁远以北大约40里处，多尔衮在此处碰上了吴三桂的第二批使者，大概清廷方面的人也在其中，交上了吴三桂的第二封书信，吴三桂表示清军非但可以走山海关，而且最好快点来，但对投降一事仍然只字未提。多尔衮应该也问过了自己人，知道吴三桂这次是真的碰上大麻烦了，局势已经变得异常紧张。真假已辩，多尔衮下令全军火速前行。
同一天，也就是二十日，李自成的前锋部队到达了山海关，至迟到二十一日清晨，李自成的主力部队抵达，并在这一天把军队投入了战斗，另派唐通绕道出长城，驻扎在山海关以北的一片石，堵住吴三桂的北逃之路，也算是给唐通一个机会将功折罪吧。
关于山海关大战的具体地点和小战役的次数，争议颇多，目前已渐渐达成共识的至少有三点：第一，一片石在关外，所以清顺决战的地点不在一片石；第二，山海关大战总共分为三个小战役，最后一次是最主要的决战；第三，决战地点应该在石河西。
以上几点，我是认可的，我以为三次战役的地点都不同。第一次是吴三桂守在山海关，并未出关，李自成大军到达后直接叩关，也就是这次。
长城主要是东西走向的，但在山海关附近这一小段是南北走向的，所以山海关是以东、西为界把两地隔开。关城也并非只有一个城，东、西两头还有两个罗城，和主城相连，为的是加固关门。当时西罗城还未完全竣工，李自成打的就是这一头。南北两翼还有两座辅城，称为翼城，并不和主城相连，主要是屯兵之所，也起到拱卫关城的作用。
当天上午，李自成攻打山海关主城，具体而言是西罗城，战斗从早至午，眼看西北角快要顶不住了，西罗城北侧将要被顺军攻破，吴军赶紧集中所有的力量抵抗，又放射大炮，另放下一支偏师，上下夹攻，才勉强击退顺军。北翼城也是“重灾区”，顺军甚至一度登上了城楼，形势相当危急，守在这里的官兵也费了好大的劲才勉强保全城池。
当天晚上，战争仍然时断时续地进行，炮声仍然不绝于耳。也就是在这天深夜到第二天凌晨这段时间内，清军星夜赶赴至此。当时全中国最骁勇善战的部队几乎都集中到了山海关附近，明之关宁军、顺之中权亲军、清之八旗军，他们将共同度过这风云变幻的时刻。
清军到达后已能够听见隆隆的炮声，此时已见唐通的部队，多尔衮下令击之，轻松打败了这支部队，唐通再次逃往关内，这位命还真硬，跟三拨人都打过交道，还没死。这就是一片石之战，规模其实是最小的，甚至可以忽略不计。深夜，多尔衮为了稳定吴军的军心，也为了方便出战和打探消息，下令移营，屯驻在紧贴着山海关的欢喜岭。欢喜岭又名凄惶岭，看情况而言，若是从关外归来，见到此岭，说明很快就能入关回到家乡，不甚欢喜，若是出关，心情不甚凄惶，故由此得名。
这一夜，三拨人都够忙活的，李自成还是时不时地打一下，吴三桂此时已接近崩溃，如果多尔衮还不出手的话，第二天山海关必定被李自成攻克，十几万辽兵和辽民也必定死无葬身之地，所以频繁派出使者至清军大营，多尔衮也十分客气，以高规格的礼仪相待，又派范文程等进入山海关，以安其心，一再宣告此次清军南下并不是来与他们为敌的，只是为剿灭流寇。
客气归客气，可多尔衮就是不提什么时候出兵相助，其实就是条件还没谈拢，吴三桂拉不下这个脸来投降，那多尔衮只好把他逼到绝望的境地，也能让全体关宁军认清目前的形势。
第二天清晨，李自成的军队已经开始集结，多尔衮还是那副笃定的样子，吴三桂别无选择，只能亲赴清军大营谈条件。多尔衮听闻吴三桂前来，知道火候到了，猪头快煮烂了，高兴异常，大呼：“天下在掌中矣！”然后拖着吴三桂的老上司洪承畴一起迎接。既然吴三桂都亲自来了，多尔衮也不好意思回绝，答应出兵，但是又加了个条件，说是由于顺军和吴军都是汉人，清军无法辨认，唯恐误杀，让吴三桂及其部民剃发，以为区别，给足了吴三桂面子，让他投降。多尔衮爽快，吴三桂也不好意思扭捏，也无路可退，只能答应。双方约定，暂时来不及剃发的，先在肩膀上系一块白布，以为区别，一时之间，关城内的白布都不够用了，连裹脚布都拿出来了。条件谈妥，双方以白马祭天，以乌牛祭地，歃血盟誓，吴三桂成为清军入关以前最后一位投降的将领。
然后遵从多尔衮的指示，重回山海关，打开关门，放清军入关。清军分三路鱼贯而入，多铎和阿济格分左右两翼，各统兵万余，进入南北翼城，多尔衮则自统大军进入主城。吴三桂按照约定，打开东门，率军出战李自成。
李自成已经得知清军到来，故在石河西岸布下决战的阵势。清军入关以后也直接开赴石河西战场，摆开阵型，对准李自成军队的阵尾，让吴三桂先打头阵。吴军先跟顺军冲杀，时值狂风大作，遮天蔽日，伴随着这一切的正是两军士兵的鲜血。李自成在一个小山岗上观战，见如此，令军队合围吴三桂，吴三桂跃马挺枪、反复冲杀，但仍然冲不开缺口。
战斗持续了良久，清军当中已有人按捺不住，想要参战，被多尔衮制止，还是想要吴三桂多拼掉一点实力。两军从早上一直打到下午，吴军已经筋疲力尽，开始支撑不住了。正在此时，早已养精蓄锐多时的清军铁骑，随着三声军号，突入阵中，以劳逸之师击疲软之军。李自成的军队虽然是三方军队中最强悍的，但毕竟人数过少，且已经打过两仗，其中还有不少根本称不上军队的人混在里面，尽管刘宗敏等奋勇拼杀，但仍抵不过八旗铁骑的强力冲锋，战局骤变，刘宗敏受了重伤，连权将军都受伤了，可见局势已经十分明朗了，李自成赶紧下令撤军，清军一路追击四十余里才收兵。
当天，夜幕按时降临，清军在关内扎营，两天的战火已经渐渐平息，喧闹声也已经归入死寂，好像跟之前没有什么不同。然而，山海关已经更换了主人，这座令多尔衮的父、兄望眼欲穿的天下第一雄关，此时正在他的掌握之中，北京城很快也会迎来他的新主人。清王朝走出了对全国统治的第一步。