李自成其实还是想要争取到吴三桂，携明朝太子朱慈烺和吴襄随军同行，吴三桂料不能敌，便派副将郭云龙、杨坤、孙文焕向多尔衮求援。
清军在翁后（在今辽宁阜新境）遇吴三桂使者，遂改道从连山（在今葫芦岛市境）、宁远一线日夜兼程，疾趋山海关。
清兵自四月初九出发，四月二十日，清兵抵连山（今葫芦岛市连山区），吴三桂一再催兵，清兵知李自成军迫近山海关，日夜急行，一日夜疾行二百余里，共行军十三日。
李自成对清军情况不明，行动迟缓，四月二十一日才抵达山海关下，在石河西岸与吴三桂部成对峙之势。
同日，李自成的大顺军与吴三桂于一片石、西罗城进行恶战，刚开战吴军小胜于西罗城，接着李自成军猛攻东罗、北翼二城。
此时的李自成还不知道清军已经到来，在山海关外十五里处一线集结。
李自成抵关当日，向吴三桂发出逼降通牒，遭拒绝后，一面令唐通、白广恩部近二万人从一片石（今辽宁绥中九门口）出边立营，断吴三桂退路，一面以主力六万分别对西罗、北翼和东罗城猛攻。
山海关可是有着大明的火炮，李自成的大军攻城的时候损失巨大，哪怕有着从大明京师抢到的几千燧发枪，能熟练使用的人并不多，大顺军未能进据罗城。
二十一日夜，唐通部在一片石被清军击败，余众退入关内。经一日激战，多尔衮已知大顺军虚实，遂采用以逸待劳、后发制人的慎战之策，欲待大顺军与吴三桂部连战疲惫时，突出奇兵，一举取胜。
顾临渊在李自成和吴三桂对战的时候，就率兵攻入廊坊，准备拿下京师。
李自成拷问出来的银两存放位置也打探清楚，只需要攻入京师就可以拿到海量的白银。
现在驻守京师的大顺将领是牛金星，李自成的十万大军在山海关，现在京师攻打也是最容易的，尤其是榴弹炮还有迫击炮，攻城就毫无悬念。
四月二十二日清晨，清军进至离山海关城仅二里，吴三桂见情势危急，率轻骑寥寥数员冲出重围、飞奔至关城东二里的威远堡清军营垒，跪降于多尔衮。
多尔衮见吴三桂归顺非诈，接受吴三桂的请求，多尔衮令吴三桂按满洲习俗剃头，许诺将皇太极女建宁公主嫁给吴子吴应熊。
并偕和硕英郡王阿济格、多罗郡王多铎率劲旅八万，分别从南水门、北水门、关中门进入关内，令吴三桂部系以白布为号任前锋。
顾临渊在当日率骑兵第一旅进攻京师，由于只有一万多人，顾临渊并没有分兵，而是直接率兵炮轰西直门。
对于李自成的军队，顾临渊看不上，也就不想俘虏，仅仅不到一个时辰，西直门已经丢失，顾临渊的大军开始入城。
入城的时候，顾临渊士兵手中的明中式步枪发挥了极大的威力，骑兵以班组为单位，分兵出击。
半日时间京师外城已经全部占领，牛金星在西直门经过炮击的第一时间就上城楼观察，好巧不巧，非要在城门上，一发迫击炮直接带走了李自成留守京师的最高统帅。