在这种有利的情况下，进攻北京的计划很快被提到了日程上来。1644年正月，李自成率军进攻北京。崇祯皇帝得知李自成进攻北京的消息，心里哀叹大势已去，但还想作垂死挣扎。崇祯帝下诏让吴三桂进京勤王。此时山海关总兵吴三桂，接到勤王的诏书，怕李自成兵力强大，不敢进兵，但又不能不奉诏，当天下达命令，率兵士五万人，向京师进发。但其每天行军才三十里，有意迟迟缓进。吴三桂的打算是拖延时间，待到各路援兵聚齐后，兵力雄厚，再和李自成交战，那就不怕他了。谁知才行军到丰润，京城失守的消息便传来了，吴三桂见大势已去，干脆屯兵观望。
李自成的农民军临近北京，军队分成两路。一路由李芳亮带领进入豫北，攻取保定，会师北京。另一路由李自成、刘宗敏率领进攻北京。农民军一路所向披靡，每进一城，百姓们张灯结彩，载歌载舞，欢迎农民军把他们从苦海中解救出来。
三月，农民军大部队已来到了北京城下，开始了对北京城的围攻。这一天，月色昏蒙，寒风凄冷，京城外的火光，惨红如血。一阵阵的啼哭声，夹杂着炮火声和喊杀声，昼夜不绝。崇祯皇帝扶着王承恩，踉踉跄跄地转回南宫，到了万岁山上，倚在寿皇亭的石栏边，遥望城外烽火连天，哭喊呼嚎声、兵器声、马蹄声，隐隐可辨。火光四处不绝，照得满天通红，看到农民军已近在咫尺，繁华的京都，瞬时变成了一片焦土，这时天空的月光被浓云遮掩起来，越发显得大地黝黑，举目都是一副凄惨的景象。此时的崇祯帝才深深地感到了绝望，明白大势已去，长叹一声，含着泪爬上石扶栏，把头颈套进了丝绦，双脚一蹬，身体就高高地悬在树枝上了。崇祯帝吊死在了万岁山的一棵树上。腐朽的明王朝也随着崇祯帝的死走到了尽头。
大顺军在北京城百姓的欢呼声中迈着胜利的步伐开进城里。此时崇祯皇帝殉国的消息传到了吴三桂那里。吴三桂虽率领大军，但害怕李自成兵力强大，不敢向前，只是按兵不动。正在观望之际，忽然听到李自成派遣使者来到，吴三桂吃了一惊，随即命令手下传使者进来，使者送来了劝降吴三桂的书信。吴三桂爽快地答应归顺。在吴三桂回京的路上，听到一位从京城里逃出的家人说，老爷吴襄被刘宗敏抓走，遭到严刑拷打，家中银两全被抢走，爱妾陈圆圆被刘宗敏抢走，至今下落不明。吴三桂一听，这还了得，立刻暴跳如雷，误以为自己被李自成骗到北京，然后剥夺家财与军权，他发誓要杀了李自成。
吴三桂马上带兵返回山海关，向唐通突然发起进攻。因唐通刚在山海关驻防，立足未稳，所以很快被吴三桂击败，山海关重新回到吴三桂的手中。李自成得知山海关失守后，为事情的突变而吃惊，也为招降之事功亏一篑而感到后悔，他只好亲自出马去对付吴三桂。
1644年，李自成亲自率领大军向山海关方向进发，北京由丞相牛金星和李过留守。李自成的大军在四月抵达永平，二十一日到达山海关，于是立即投入了战斗。以前清兵数次内犯，都没经过山海关，而是绕道南下。山海关号称“天下第一关”，地势险要，军事设施齐全。此时吴三桂早已同境外的清军联络妥当，请求清兵援助。清将多尔衮对此求之不得，立刻回信答应此事。一场激战不可避免。
李自成的大军首先和吴三桂的军队在西罗城展开激战。两军从早晨战至中午，吴三桂的力量明显处于劣势，西罗城于是被李自成军攻占，这时吴三桂的一支炮兵赶到，突然向李自成军发起猛烈炮击，稳住了阵脚。到二十二日早晨，驻守北翼城的吴军抵挡不住李军的猛攻，已向李自成军投降。吴三桂军千方百计防守，险象丛生，露出全线崩溃的迹象。在此危急时刻，清军突然赶到援战，从而使战局为之一变。
清兵突破李自成军的防线后，吴三桂军的士气大增，也发起反击。虽然刘宗敏奋勇追击，顽强督战，带领的部下也是三军之首，但此时也没法挽回颓败之势。他本人也被流矢击中，受了重伤。李自成眼看败局已定，于是急命撤军。
山海关之战是明末三大军事力量同时参与的一次大会战，也是决定大顺政权能否继续存在的一次决定性战斗，在某种意义上它也改变了中国的历史：大清政权代替了大顺政权。
面对着强大的敌军，李自成没有任何退敌的妙计，只好做出痛苦的抉择——退出北京。