當清軍到達山海關前時，已聽到「關上炮聲，夜深不止」。從遠遠傳來的隆隆炮聲及震天的喊殺聲，說明吳三桂部已與大順軍交上了火。經驗豐富的多爾袞也料到大順軍有可能在清軍之前趕到，所以吩咐手下一定要打起十二分的精神，提高警惕，以防遭到大順軍的伏擊。
山海關下即將開始一場血戰，讓我們先來了解一下它。
山海關是萬里長城東段的起點，居諸關隘之首，所以有「天下第一雄關」之美譽。此城與長城相連，渾然一體，極其堅固，易守難攻，可謂是一夫當關，萬夫莫開。
山海關的主體建築關城，呈四方形，周長八里一百三十七步四尺，環以護城河，寬五丈，深二丈五尺。關城東西南北各設一座關門：東門名曰「鎮東」、西門名曰「迎恩」、南門稱作「望洋」、北門號「威遠」。東西兩門外，有兩座小城與關城緊密相連，稱羅城。它的作用是加強關門的防禦能力。在東門外的，叫東羅城，西門外的，則叫西羅城。東羅城建於萬曆十二年（1584年），其城牆高二丈三尺四寸，周長五百四十二丈四尺，東、南、北三面各設一個門，門外有護城河環繞，再有水門兩個、角樓兩個、敵樓七個。在與東羅城相交接的城牆上，還有兩座樓，用以屯兵設防。而西羅城在關城內側。
在關城南北兩側兩里處，長城的內側，南水關、北水關附近，各有一座小城，稱翼城。南側的，叫南翼城，北側的，則叫北翼城。城牆高二丈余，周長三百七十七丈四尺九寸。設南北兩門，南北翼城為屯兵之用。它從南北兩個方向拱衛關城。
山海關，依山臨海，又與長城連為一體，城外設城，門外設門，環環相扣，設計得極為巧妙，形成一整套完備的防衛體系。任何人要攻破此城，都必須付出極大的代價。就拿清軍來說，無論是努爾哈赤還是皇太極，生前沒有一天不在惦記著它。但迫於此雄關的威嚴雄壯，一向驍勇善戰，兇悍無比的八旗將士，從不敢奢望能拿下此城，每次進軍關內，都不得不繞道內蒙古，從長城薄弱之處——龍井關等地進入。這幫留著辮子的八旗兵，望關哀嘆已二十年有餘。大順軍的戰鬥力未必強過清軍，但如今李自成卻帶著他的將，帶著他的兵來了。他能成功嗎？李自成自己不知道，吳三桂不知道，多爾袞也不知道。
當吳三桂確認李自成已率大軍開赴山海關時，他一方面派人出關向清廷請兵，一方面為了拖延時間，又派高選、李友松、劉台山、劉泰臨、譚邃環、董鎮庵六人為談判代表，前往李自成軍營詐降。這六人行至三河（河北三河縣）遇到了李自成的大軍，拜見李自成後稱：吳三桂已願歸降，望闖王不要再進攻。李自成是又喜又疑，表面應允，暗地裡做好布置，帶著這六人一路浩浩蕩蕩往山海關方向開進。李自成雖然還是保持著警惕，但這六人的詐降行為還是起到了一定的迷惑作用，大順軍的前進速度明顯放慢下來。軍中無論將領還是士卒麻痹輕敵的思想一下子都抬了頭，行軍時鬆鬆垮垮，晚上宿營時吃酒耍錢者也屢屢可見。
走了九天，四月二十一日李自成終於率軍到達山海關，這時大順軍才傻了眼，等待他們的可不是什麼吳三桂派出的和談代表，而是已做好充分守城準備，準備拚死決戰的吳三桂部。而此時清軍已只距山海關十五里。大順軍此時從上至下無論是戰備上，還是心理上，都沒有做好開打的準備。詐降的高選等六人也明白現在是逃命的時候了，不過他們的運氣實在是不太好，雖然此時大順軍既無戰備也無鬥志，但對他們的看守卻一直都沒放鬆，最後除一人身中三箭，僥倖逃脫外，其餘人等皆被誅殺。
吳三桂事先已與多爾袞約定，派出精銳兵馬出關城，在山海關以西，即石河西岸，佔據戰略要地做好戰鬥準備。而在龍王廟至譚家頗羅一帶，又徵召當地鄉民三萬餘人，以作為預備隊使用。同時考慮到關城兵少，糧餉不濟，又與當地士紳聯合，組成地方武裝，其中的成員甚至有不少知識分子——生員。這些人共助餉白銀七八五餘二，戰馬一二餘匹。
李自成到達山海關後，也許是心存僥倖，也許是為了顯示天恩浩蕩，曾派使者最後一次通令吳三桂投降，遭到吳三桂嚴詞拒絕。後李自成迅即部署兵力，一在石河西，以主力作正面進攻，一派唐通率騎兵迅速從九門口出關，繞到關外，至一片石候命，若吳三桂從此處東逃，可與關內一側的大順軍夾擊之。
這是場極其殘酷的戰鬥。
戰鬥首先在石河西（今山海關區燕塞湖一帶）打響。
雙方拚死惡戰，連殺數余陣後，大順軍又發動突襲，沖入吳三桂部將營內，其餘諸將急率兵解救，又將大順軍擊退。配合吳部作戰的鄉勇也表現得極為英勇，向大順軍發起一次又一次的衝鋒，生員譚有養、劉以禎更是率部沖入大順軍陣中，在殺傷大量敵軍後戰死。
戰鬥從早晨開始，一直打到中午，此時吳三桂部及鄉勇漸漸有些抵擋不住，西北防線首先被大順軍突破。數名大順軍騎兵殺至西羅城北側，正準備登城時，此處的守將命部下打白旗詐降，暗中命自己的副將率部從北坡衝下，偷襲大順軍，同時城上守軍利用手邊所能利用的一切物件，向城下拋擊，大順軍傷亡慘重，被迫撤退。
在與吳三桂部大戰石河西時，李自成又指揮一部分兵馬攻打北翼城。此城逼山受敵，大順軍欲集中兵力直取，打開一缺口，佔領山海關。大順軍日夜狠攻，此城守將山海關副總兵冷允登親臨城頭指揮部下拚死抵抗。大順軍屢次被擊退，又屢次重整戰鬥隊形發起進攻。至次日晨，大順軍的攻勢不但未有減退，反而更為猛烈，甚至有部分士卒已殺上城頭。在此生死存亡之際，救援兵馬及時趕到，攻城的大順軍腹背受敵，大部分被吳部兵馬殲滅。此次戰鬥中，當地鄉紳馬維熙、劉克禮、呂鳴章 等人率鄉勇協助守城，發揮了重要作用。
吳三桂部在極為不利的情況下，承受住了大順軍一波又一波的攻擊。激戰一整天，雖自身傷亡也極大，但好歹是保住了山海關。大順軍以往在與明軍的戰鬥中可謂所向披靡，交戰中明軍部隊往往一觸即潰。但吳三桂的兵馬顯然與他們以前交過手的明軍完全不一樣，此時無論是李自成還是普通士卒都明白，拿下山海關將是一場與死神共舞的險惡之旅。李自成再一次深深為吳三桂家人所受的遭遇而感到後悔不已。
吳三桂利用暫時擊退大順軍的空隙，將主力撤回城內，利用自己火器上的優勢，對大順軍展開炮擊。大順軍此次攻城也帶來了火炮，雖數量多於吳三桂部，但射手素質明顯遜於對方。雙方炮擊不止，爆炸聲此起彼伏，照亮整個夜空。
當吳三桂與大順軍激戰的時候，清軍也開始了行動。多爾袞得報農民軍佔領一片石後，當即命令諸王各率精兵向大順軍發起攻擊。圖賴率領的前鋒營與唐通的騎兵部隊相遇，唐通部不敵，被一舉擊潰。
夜深了，天亮後必然又是一場惡戰，但清軍始終沒有進關，這讓吳三桂萬分焦急。他多次派使者前往清營，敦請多爾袞儘速入關，但多爾袞就是遲遲不動。直到下半夜，他才下令清軍向山海關進發。黎明時分，推進到離山海關還有四五里的歡喜嶺。歡喜嶺，又名凄惶嶺，位於山海關以東四五里之地。以往出征或戍人至此，因離家鄉而至塞外，心情「凄惶」；戍人返歸故鄉，至嶺，眼望山海關，以舉足到家而「歡喜」，所以得名。多爾袞登高遠望，只見關上煙塵瀰漫，炮聲隆隆。此時的他出於政治及軍事上的考慮不禁又起了疑心，他與多鐸、阿濟格商量：「莫非吳三桂知道我南來，故意設此圈套來引誘我？我兵曾三次圍過北京，都不能馬上攻克，李自成卻一舉破之。看來，此人的智勇必大過一般人。現在他統大軍親至，志不在小。他是否欲乘此次戰勝的精銳，有窺我遼東之意？不如分兵固守，以觀察動靜。」出於慎重，他命諸王在歡喜嶺按兵不動，歡喜嶺上有一座威遠台，築有城堡，原是山海關前的瞭望哨所。他與諸王進駐威遠台，靜觀其變。
吳三桂得到一個好消息和一個壞消息，好消息是清軍已至歡喜嶺，壞消息是清軍始終按兵不動，這讓他好不焦急，趕緊派出山海關士紳佘一元、馮祥聘、呂鳴章、曹時敏、程邱古五人以代表民意為由前去敦請。
這五人受到了多爾袞的接見，「賜坐賜茶，款接溫藹」。多爾袞沒有說什麼話，主要是范文程在說。首先他說明清軍此次出兵的意圖，請他們轉告山海關軍民不需疑猜。並強調清軍此次出征前規定的政策及幫助吳三桂報君父之仇的意思。言辭懇切，佘一元等五人置信不疑，倍加感激。多爾袞原本說要留這五人一起用飯，但五人以事情緊急為由婉言謝絕，告辭回關。
陪同這五人一同返回山海關的是范文程，他面見吳三桂，「曉諭軍民」，通告清軍即將入關。以范文程在清廷的地位，他的到來及承諾，給了吳三桂極大的鼓舞。不過他提出的一個要求讓吳三桂很是猶豫，那就是多爾袞要求吳三桂親自去見他。以吳三桂一向的謹慎，他是很不情願去見多爾袞的，但是以目前嚴峻