對於孫傳庭部的出關，明廷內部存在著嚴重的意見分歧。朱由檢幻想孫傳庭部出關，將同長江中游的左良玉部合殲起義軍，力主孫部儘早出關；陝西籍的一些官僚也由於孫傳庭徵兵征餉加重了自己鄉土的負擔，抱著以鄰為壑的心理贊同叫孫傳庭早早出關。孫傳庭自己在冢頭鎮吃過敗仗，明知農民軍勢大難敵，指望多爭取一些時間練兵儲餉，加強實力，盡量拖延出關的時間。其他一些大臣卻內心忐忑不安，他們盤算過朝廷現有兵力主要是三個集團：遼東的軍隊雖然比較精銳，但抵禦清兵已難以勝任，實在無法移調；左良玉部號稱兵多將廣，實際上畏敵避戰，跋扈難用；可以用來對付起義軍的唯一王牌，只有孫傳庭統率的陝西官軍。孫傳庭部傾巢出動要是真能取勝，自然是如天之福；但是，他們也感到這種僥倖取勝的希望畢竟非常微弱，如果孫傳庭部一旦被殲，明王朝的覆滅就註定了。因此，他們極力主張慎重行事。有的大臣直截了當地向崇禎皇帝說明利害，指出孫傳庭部在陝西不動的話，起義軍要北攻京師或東下南京都難免有後顧之憂；如果李自成義軍打算先取陝西，孫傳庭可以不脫離自己的後方基地，固守潼關，比孤軍深入河南、湖廣要有利得多。兵部侍郎張鳳翔說得最為懇切：「孫傳庭所有皆天下精兵良將，皇上只有此一付家當，不可輕動。」 朱由檢眼看農民起義的烽火一天天蔓延，恨不得將它一口吞下，加之他吝嗇成性，唯恐孫傳庭老師糜餉。所以聽到主張持重的意見就大不悅耳，狠狠地瞪了張鳳翔一眼。周圍的大臣心領神會，一個個便義形於色地支持出兵。朝廷催促孫傳庭出關的使者接踵而至，傳庭頓足嘆曰：「吾固知戰未必捷，然僥倖有萬一功。大丈夫豈復能對獄吏乎！」 他懷著渺茫的希望，勉強上疏報告了出師的日期。
孫傳庭的上疏出關，固然是迫於朝廷嚴旨，他自己也確實存在相當的僥倖心理。他認為上次冢頭之敗，證明陝西兵還是能打仗的，只是由於偶然的原因才招致失敗。另一個因素是他正好接到竊據了農民政權兵政府侍郎要職的丘之陶的密報，說待李自成領兵北上河南迎敵陝西官軍時，他將捏造左良玉部進犯襄陽的情報，迫使自成退師，然後乘釁而起，內外夾攻，可以一舉打敗義軍。此外，在鄖陽負隅頑抗的高斗樞也派人潛來西安，詢問出師日期，表示要配合作戰。正是在這種情況下，孫傳庭覺得可以碰一碰運氣了。
八月初一日，孫傳庭在西安關帝廟誓師。選擇這個場所，自然是為了託庇於「武聖」之靈。典禮既畢，他即命總兵馬爌、秦翼明隨陝西巡撫馮師孔，取道商洛進河南南陽地區作為偏師；自己則統率總兵白廣恩、高傑、牛成虎等部共十萬人馬東出潼關 。同時檄調河南總兵陳永福於洛陽會師，檄左良玉統兵西上，夾攻起義軍。
李自成早已得到陝西官軍將要出關的消息，從這年的四五月間起就源源不斷地調兵北上，加強了河南的防務。接著又親統大軍北上河南，集中力量準備迎敵孫傳庭部的來犯 。他根據河南境內由於天災人禍造成了赤地千里，大軍所過，糧草問題不易解決的狀況，決定在戰略上採取誘敵深入的方針，把主力部署在郟縣以南地區。至於從潼關到郟縣的廣闊地帶，除留下為數不多的巡邏部隊以外，「凡郡邑城俱不置守具 」。
八月上旬，陝西官軍重占洛陽。孫傳庭左右的謀士提出建議，不要急於冒進，應採取穩紮穩打的辦法，先以洛陽為基地，修復城堞，招徠流民，開屯田，儲糧草，這樣進可以戰，退可以守，待時機成熟時再進取中原 。孫傳庭終畏朝命，不敢逗留，還是領兵向南進發。為了保證軍需，朝廷下令由山西平陽（今臨汾）等府、縣協解米豆，地方官「催逼嚴急，里老有自縊而死者，運夫有淹沒河中者。人情洶洶，莫知所措。」
李自成見孫傳庭部來勢兇猛，便故意示弱，只派出小部隊稍加阻擊隨即南撤。陝西官軍輕易地一直打到寶豐縣。這意外的勝利使孫傳庭由心虛膽怯一變而為頭腦膨脹。他沿途濫殺居民，斬級計功，並向朝廷報捷說：「賊聞臣名皆潰。臣誓清楚豫，不以一賊遺君父憂。」 朱由檢得報大喜，欣欣然把孫傳庭的報捷書交朝臣傳閱，夢囈般地叫嚷：「賊滅亡在旦夕！」 甚至急不可耐地面諭吏、兵，工三部：「督師駐兵豫中，屢報戰勝，土寨多已招安。各鎮、撫宜整旅渡河，星速赴任。規避不前者飛參重治。一面招撫流移，開墾荒蕪；一面修復城池，安插民眾。仍飭河北各府輸輓糧草，接濟督師，山西附近地方派運不得遲誤，功收萬全。通侯之賞，斷不少靳。」 看來，他已經著乎準備給功臣們加官論賞了。但兵部尚書馮元飆卻憂心如焚地頓首說：「賊故見羸以誘我師，兵法之所忌也。臣不能無憂。」 弄得朱由檢大為掃興，好半天說不出話來。
孫傳庭所統的官軍，一路上拚命搜括居民的糧草財物，殘酷地對農民政權管轄下的人民實行階級報復。九月八日，兵至汝州，義軍都尉李養純投降。九日，抵寶豐城下。李自成任命的寶州牧陳可新、州判姜鯉組織百姓據城抵禦。十二日晚，有紳衿二百八十八人私自出城投降，「城遂破，諸軍蜂擁入，城中鼎沸，火光照若白晝。」陳可新、姜鯉等均被捕殺。孫傳庭從投降的二百八十八人中，「擇二高年，命一一指名，不能名者十餘人，疑為賊，斬之。」對其他城中百姓，更借口「為賊固守」，全部殺光 。官軍別部於十二日夜攻佔唐縣時，也借口義軍老營曾留在該縣，將全城居民屠戮殆盡。
這時，隱藏在農民政權內部的姦細丘之陶認為時機已到，利用他竊據的兵政府侍郎的職務，向在前線指揮作戰的李自成發出偽造的情報，謊說左良玉部官軍從東面進攻襄陽，後方形勢危急。可是，他和孫傳庭都沒有料到自己的陰謀已經敗露。原來，孫傳庭接到丘之陶表示願意充當內應的密信後，欣喜異常，除了轉報朝廷外，還親自給丘之陶寫了一封回信，加意聯絡。這封回信被義軍巡邏戰士截獲。李自成不動聲色，只是暗中加以提防。丘之陶的假情報一送到，李自成立即派人把他叫來，拿出孫傳庭的回信揭穿了他的內奸面目，處以死刑 。
內奸既除，更好全力對敵。九月十四日，義軍同官軍接戰於郟縣。義軍初戰失利，果毅將軍謝君友被俘殺。但這只是局部性的挫敗。由於李自成的誘敵深入的基本戰略是正確的，整個戰局很快就扭轉了過來。官軍孤軍深入，距離後方供應基地越來越遠。又值大雨滂沱，道路一片泥濘，官軍糧車進展緩慢，前線的士卒和馬匹飢瘦不堪。有人勸孫傳庭回師就糧，孫傳庭卻回答說：「師已行，即還亦飢，不如破郟縣就食。」 郟縣本是個又小又窮的縣份，官軍破城後只搶到幾百匹騾馬，幾萬士卒很快就吃完了。李自成見官軍深入絕地，一方面動員群眾堅壁清野，使官軍無法就地籌糧，一面派大將劉宗敏帶著一萬多名騎兵由間道抄到官軍後方，在河南汝州白沙地方切斷明軍的餉道。孫傳庭聞訊大驚，部下軍心不穩。自成此時卻用大牌寫下戰書，指定日期同官軍決戰。孫傳庭無計可施，命河南總兵陳永福留守軍營，自己統率嫡系陝西官兵分路撤退，企圖打通糧道。陳永福部下的士兵看著陝西兵撤回迎糧，自己卻被留下來忍飢挨餓充當替死鬼，都憤恨不平，拒絕服從命令，紛紛跟在陝西官軍後面亂跑。「永福雖斬之，不能止。」 陳永福知道軍心難違，只好隨部眾北撤。孫傳庭部署的阻擊部隊一逃，義軍即乘勢發起總攻，官軍部伍大亂，遂全線崩潰。總兵白廣恩所統火車營軍 士卒為了逃命，解下拉車的馬匹騎上就跑，火車翻倒傾軋，道路也被堵塞。義軍鐵騎騰越而過，奮勇直追。步兵則手持大棒猛擊官軍，「中者首與兜鍪俱碎」。官軍大敗，「死亡四萬餘人，甲仗馬騾數萬，盡為賊有 」。義軍逐北四百餘里。孫傳庭和總兵高傑收集散亡士卒數千騎北渡黃河，經山西垣曲縣繞到潼關。總兵白廣恩也領著殘兵敗卒奔往潼關。
李自成部義軍郟縣戰役的勝利，給了明政府所留下的最精銳的部隊——陝西兵以摧毀性的打擊，為推翻明王朝的罪惡統治奠定了基礎。它在我國古代軍事史上也佔有重要的地位，作為戰例也是值得認真總結的。
孫傳庭部精銳的被殲滅，對於李自成部義軍來說，跟蹤追擊，全殲陝西官軍殘餘兵力，趁勢奪取關中地區，乃是當然之事。然而，對於義軍的這個進軍方向，在許多著作中卻沿襲了一種不可靠的記載。說李自成在襄陽時，曾同牛金星、楊永裕、顧君恩等商討過進兵方略，牛金星主張直取京師，楊永裕建議東下南京，顧君恩認為前者失之急，後者失之緩，主張先取陝西，收取三邊兵力，然後東取山西、河北。李自成採納了顧君恩的方案，後來果然奪取了西安，賞給顧君恩女樂一部作為獎勵 。這種說法頗能引人入勝，不過就當時的形勢而言，卻尚有商榷的餘地。因為，李自成在襄陽的時候，孫傳庭正養銳於西安，不能不有所顧忌。他之所以沒有東追左良玉部官軍，進而奪取南京和江浙財賦之區，原因就是避免孫傳庭追躡其後。至於北上進攻京師更不是一著高棋，因為這樣一來孫傳庭必