山海关之战作战经过示意图。
山海关之战的战地之一角山长城。
崇祯十七年（公元1644年），李自成率领的农民起义军在西安建立大顺政权后，沿山西一路北上，于3月19日攻破北京。在关外，清军已将辽东明军吴三桂部压迫至山海关一带，同时准备绕过山海关南下，一场新的大战正在酝酿。
仓促出师
李自成进京后，立即派明朝降将唐通率军8000人，携重金前往山海关招降吴三桂。经过一番争取，吴三桂答应归降。在同唐通交接关防后，吴三桂率所部官兵4万及辽东百姓七八万人向北京进发。行至永平（今河北省秦皇岛市卢龙县）时，吴三桂恰巧遇见从北京出逃的家眷，得知父亲吴襄被大顺军拷打，爱妾陈圆圆被李自成部将刘宗敏霸占。吴三桂大感光火，随即率军返回山海关，驱逐了唐通所部，同时招募乡勇、加固城防，准备对抗大顺军。吴三桂拒降的消息传至北京，李自成决定亲征讨伐。4月13日，李自成同刘宗敏、李过率大顺军主力8万人，奔山海关而来。
4月15日，大顺军行至密云，正等待补充粮饷物资。为争取备战时间，吴三桂使出缓兵之计，派使者向李自成再次表明降意，成功地拖延了时间。但面对大顺军浩大的声势，吴三桂仍感独木难支，当日又派人至翁后（今辽宁省阜新市）向清军求援。收到吴三桂请求后，清军统帅多尔衮决定改变行军路线，由山海关入关。20日，李自成发觉了吴三桂的诈降企图，令各军兼程并进。21日，大顺军主力到达山海关附近。李自成决定由唐通、白广恩率军2万，自山海关西北的一片石长城包抄吴三桂军，自己亲率主力6万从正面攻打吴三桂部主力。
关下鏖战
山海关有“天下第一关”之称，中心建有关城，东西有两罗城，南北有两翼城，还有大海和长城可作依托，防御体系十分坚固。4月21日，大顺军对西罗城发起攻击后，中了吴三桂军的诈降之计，在接近城垣时遭到关上火器猛烈轰击，死伤惨重。李自成很快重整队伍，集中力量猛攻北翼、东罗两城。大顺军将士前赴后继，战至中午，成功逼降吴三桂军一部，两城旦夕可下。当日下午，唐通部也从一片石迂回成功。未成想，阿济格和多铎率领的清军于傍晚赶到，将唐通等人击溃。大顺军未能从侧后方对吴三桂军形成夹击之势。
经过一昼夜奋战，大顺军虽占据上风，但终究未能打破吴三桂军防御体系。鉴于清军已抵达战场，李自成决定改变强攻战术，采取野战方式尽快消灭吴三桂军主力，回过头再来对付清军。22日早上，大顺军沿山海关北面的角山至渤海一线全部展开。此时山海关已交清军接防，吴三桂也率主力列阵出击，双方摆出决战架势。战斗开始后，大顺军将吴三桂军团团围住，猛攻不止；下午三时，吴三桂军眼看不支，大顺军也疲惫不堪。在欢喜岭观战的多尔衮见已达到使两军彼此消耗的目的，命阿济格与多铎各率2万精锐骑兵从吴三桂军右翼插入，猛攻大顺军，已奋战一天的大顺军力不能支，纷纷溃退。
此战大顺军共有15位将领牺牲，大将刘宗敏负伤，李自成只好经永平向北京撤退。撤退时，大顺军一路遭到清军和吴三桂军掩杀，伤亡十分惨重。回到北京后，大顺军只剩下骑兵7000人，史载“步卒且尽，伤骑兵过半，所选骁锋战将莫不尽伤”。
“庙算”胜者
山海关大战是清军同大顺军之间爆发的第一次大规模战役。虽然之前双方从未交手，但对彼此的重视程度明显不同。多尔衮一直关注关内形势进展，从洪承畴处了解大顺军虚实后，才决定向中原进军。途中听说大顺军攻破北京，认为“吾尝三围彼都，不能遽克。自成一举破之，其智勇必有大过人者”。为求稳妥，多尔衮一度停下向山海关进军的脚步，直至吴三桂掉头乞降、战局骤变时，才火速令部队一昼夜急行200里赶到战场。在战局并不明朗时，清军先是在吴三桂军背后隐蔽待机，待李自成、吴三桂两军俱已疲惫后，再从侧翼投入精锐骑兵进行包抄，一举击溃大顺军，为进占中原扫清了道路。正验证了孙子所说的“夫未战而庙算胜者，得算多也”。
反观大顺军，在“庙算”方面的表现相差甚远。大顺军攻破北京整整半个多月后，多尔衮才得知消息，清军并未占据先机。皇太极于当年年初病故后，多尔衮与豪格陷入帝位争夺之中。李自成此时若能对吴三桂加以安抚，稳步经营关内，静观其变，形势可能会朝着有利于大顺的方向发展。但是，李自成自始至终都低估了清军武装干涉的决心，对吴三桂也缺乏重视，在其反叛之后又匆忙出兵讨伐。当时北京周围大顺军兵力不足，开往山海关的只有8万人。而吴三桂本部及山海关总兵高第部有兵马5万、乡勇4万，连同清军的6万人马，总兵力达到约15万人。大顺军在兵力上已经处于劣势。之前大顺军虽然在关内积累了丰富的作战经验，但并没有与辽东明军、关外清军这样的劲敌交过手，对战役的困难估计不足。战斗开始后，大顺军先是在攻城中消耗了大量有生力量，之后又与依城而战的吴军陷入对峙。在清军主力投入后，大顺军迅速陷入被动，很快全面溃败。
山海关大战是明末农民起义由盛转衰的一战。此役结束后，李自成部精锐遭受重创，未能再起。
