洪承疇針對龍辰的作戰部署，立即召開軍事會議。洪承疇沒有採納馬紹愉「乘銳出奇擊之」、張斗「防其抄襲我後」的用兵建議。他還說：「我十二年老督師，若書生，何知耶！」就是說，「我已經做了12年的督師，你們這些書生，懂得什麼！」
洪承疇見護龍軍環山海而營，大懼。欲戰，則力不支；欲守，則糧已竭。遂合謀退遁。當夜，洪承疇等欲收縮兵力，企圖聚兵，主動出兵破局。
八月二十日，明軍孫傳庭部和護龍軍統帥龍辰列陣大戰。接戰良久，矢飛炮鳴，殺傷相當，然護龍軍愈戰愈勇，孫傳庭部漸漸不支，鏖戰半日後，孫傳庭部大敗。與此同時，護龍軍大將冉義領一萬五千鐵騎突襲洪承疇軍後方，山海關內的護龍軍一同出擊，洪承疇苦力支撐局面，然明軍之崩潰已成定局。
隨後，牛二領游騎軍奪取了明軍在架山的十二堆儲糧。其時，明軍糧食被搶奪，退路被截斷，因為無糧秣，而氣挫勢窮。洪承疇擔心明軍步、騎兵被分割，將步騎數萬之眾，收縮在山海關外的大營內。
山海關外的明軍大營，是洪承疇先前親自督建，壕溝工事，柵欄砌土，儼然一座簡陋城池。此次山海關會戰之中，明軍最後正是依靠著這個大營來苟延殘喘。
當晚，洪承疇見形勢嚴峻，召開會議，共謀對策。他對八路總兵等諸將說：「當各敕厲本部，與之力斗。余身執桴鼓以從事，解圍制勝，在此一舉矣！」
但是諸將意見不一。
洪承疇又對諸將說：「守亦死，不戰亦死，若戰或可幸萬一，不肖決意孤注，明天望諸君悉力。」
明軍面臨強敵，又缺乏糧食，多主張「回宣大就食」，以圖再戰。
於是，洪承疇放棄的計畫，決定分兵兩路，半夜突圍。
當夜，明總兵王朴「怯甚」，尚未到約定突圍時間，率領部眾，已先逃遁，以致明軍大亂。唐通、馬科、吳三桂、白廣恩、李輔明等，馬步爭馳，自相踐踏，弓甲遍野，屍橫滿地。洪承疇等人突圍未成，退守山海關外明軍大營，孫傳庭領輕騎殺出，僥倖突出重圍。衝殺出去的明軍，遭到護龍軍截擊，傷亡慘重。
總兵吳三桂、王朴等準備逃入大明腹地；總兵馬科、李輔明等準備奔入山東。當吳三桂、王朴等沿海邊逃跑時，護龍軍迎頭截擊。數萬明軍，東有大海，後有追兵，盔甲遍野，潰不成軍，赴海死者，不可勝計。當時正趕上潮水大漲，全軍盡沒，只有兩百餘人逃脫。
後僅白廣恩、曹變蛟、王廷臣敗入山海關外明軍大營，與洪承疇及其萬餘殘卒，共守大營。
二十四日，龍辰命設伏於高橋大路。吳三桂、王朴等率殘部向宣大逃奔，遭到護龍軍追擊，敗奔，一路丟盔棄甲，損失慘重。吳三桂、王朴恰中護龍軍的預算——護龍軍大仁部等伏兵四起，阻截前路，追兵躡後。吳三桂、王朴和眾士卒，手足無措，伏兵合力進擊，各路潰竄。吳三桂、王朴，僅以身免，逃回宣大。其後，孫傳庭也帶著十餘騎殘兵來到宣大。後王朴被朱由檢下獄斬殺，孫傳庭被下錦衣衛詔獄。
山海關之戰，歷時十天，明軍大敗，護龍軍獲勝，明軍被殺五萬三千七百七十七人，損失馬匹八千九百匹匹、駝九十八峰、甲胄一萬三千六百一十二副。另外「赴海死者，以數萬計，浮屍水面，如乘潮雁鶩，與波上下」。明軍投海死者及丟棄馬匹、甲胄數以萬計。
爾後，龍辰命護龍軍大規模進兵山海關外明軍大營，必欲破贏，擒洪總督。大營內，缺糧短薪：「米糧有限，主客聚食，三月之後，恐不可支。」
明朝兵部認為：山海關外明軍大營內，兩萬士卒，堅守時間，不能久待——「非餓死，則殺死」。
大營被圍，斷絕外援，情狀危急，明方奏報：「內無糧草，外無援兵，封疆誠岌岌危矣！」
總兵曹變蛟，為明驍將，曾經轉戰千里，二十七晝夜不解盔甲。九月，洪承疇、曹變蛟等盡率城中馬步兵，突圍失敗。十二月，洪承疇以兵六千人，夜沖護龍軍大營。護龍軍還擊，斬千餘人。明軍退入大營內，緊閉寨門。
關內援兵，竟駐宣大，蜷縮城內，不敢前進。
洪承疇欲戰則力不支，欲守則糧已竭，欲遁又未敢成隊而出。山海關外明軍，坐困寨中。
九月初，大營內，兩萬士卒，飢困交加，闔營食盡。洪承疇派人執密札求援，結果未得粒米寸薪。寨中嚴重缺糧，殺馬充饑，後至人相食。
朝廷先派順天巡撫楊繩武督師救承疇，但兵不敢出戰；又派副將焦埏赴援，剛入山海關地界被護龍軍敗沒。副將楊振請行，至呂洪山遇伏，軍沒被俘。
護龍軍令楊振往松山說降。接近松山城時，楊振就地向南坐，對從官李祿說道：「為我告城中人堅守，援軍即日至矣！」隨後，楊振、李祿皆被龍辰下令打入獄中，留其性命。
龍辰嘆曰：「彼時大明中如是血性之將領，鮮見矣。」
時明軍大營內，糗（音qiǔ）糧罄絕，人皆相食。副將夏承德，不甘坐以待斃，遣人密約投降護龍軍，許諾為內應。十八日夜，護龍軍應約攻寨，由南城牆登梯而入，大營陷落。次日晨，夏承德率部生擒洪承疇及巡撫丘民仰、總兵王廷相、曹變蛟等。然後其進行全城大搜殺，誅斬明巡撫丘民仰及總兵曹變蛟、王廷臣等官員百餘人，兵丁三千零二十八人等。夏承德部下俘獲男婦幼稚三千六百一二十二人，獲准免死。
護龍軍獲甲胄軍械一萬七千八百六十二件，各種火器六千位，金銀珠寶一萬五千多件。龍辰下令把洪承疇等送往山海關內關押，將明軍大營夷為平地。
山海關之戰，可視為護龍軍對明軍的最後一戰（不包括對南明作戰）。此役中，明朝的最後一點家底被消耗一空，山海關外至宣大大同一線土地全都歸入護龍軍所有。
山海關大戰是大明和護龍軍遼東軍事衝突的結束，標誌著雙方遼西軍事僵局的打破——明軍頓失關外的軍事憑藉，護龍軍轉入新的戰略進攻，為破山海關、定鼎燕京、入主中原，準備條件，奠下基礎。
此戰之後，護龍軍統帥龍辰于山海關中舉行稱王儀式，朝鮮、蒙古乃至大金皆有來使相喝，隨後龍辰分封諸將，犒賞全軍。當時人稱之為遼王！
遼王威名，震懾大明、女真、蒙古、朝鮮，兵威之盛，當是若斯。
稱王后，護龍軍多路將領和士兵叩請遼王早日發兵南下，奪取京師，建立大業，皆被遼王所拒。山海關之戰後，在遼王的一力按壓下，護龍軍停止了南下的鐵蹄，開始經營遼東大地，遼東百戰之地，終於迎來了和平祥和。
眾多遼東兒郎湧入護龍軍中，不消幾年，護龍軍兵威之盛，已過十萬！
此戰之後，明軍精華盡滅，李自成、張獻忠等人趁機再次起兵，一時間，大明王朝內狼煙四起！