四月二十一日，清軍抵達關門附近的當夜，便開始進行緊張的戰鬥部署，“夜半移陣，駢闐之聲，四麵皆至”。清軍統帥多爾袞利用吳三桂所處的危急局麵，逼迫吳三桂放棄聯清擊李的政策而徹底投降清朝。出於這一目的，次日黎明，清軍進迫關門前五裏許，“即頓兵不進”，“駐兵歡喜嶺，高張旗幟以待”。此時，由於連日以來農民軍所發動的強大攻勢，山海關已危在旦夕，吳軍內部也出現了瓦解的跡象。在這萬分緊急的時刻，吳三桂得知了清軍到達的消息，馬上“遣使往請，九王猶未之信，請之者再三，九王始信，而猶未及行”。吳三桂初次遣使往請，多爾袞頓兵不進，固然是因為不明吳三桂之真意和城中之虛實，是一種軍事上的持重。而在“請之者再三”、亦即了解了上述情況後，仍然觀望，則顯係借機逼迫吳三桂做出更大的讓步。
果然，在生死存亡的關頭，清、吳之間“往返八次”之後，吳三桂又向清軍做出了新的讓步，剃發歸順清皇朝並割讓包括北京在內的黃河以北的大片地區給清朝。與此同時，吳三桂也提出了“毋傷百姓，毋犯陵寢，訪東宮及二王所在，立之南京”，作為允許清兵入關的條件，並得到了清軍主帥多爾袞的同意。這樣，一方麵是吳三桂在政治上降清，另一方麵清朝又允許其擁立明朝故太子。盡管這一約定的兩個方麵是直接矛盾的，但卻是清、吳聯合中的新突破，對於擊敗李自成農民軍起到重要的作用。
直到二十一日晚，多爾袞的先鋒才抵達東羅城外十五裏，得知清軍先鋒出現後，李自成再次下令不許休息，全軍攻擊東羅城，務必要切斷清軍同吳三桂聯係的可能通道。
山海關的對外防禦能力遠遠強於對內，李自成選擇出一片石、攻擊東羅城，而不是在拿下南北翼城直撲山海關本城就已經暴露了他真正擔憂的敵人，因為即使拿下東羅城，依然要麵對山海關，而這正是山海關最堅不可摧的一麵。連沒有去過山海關的鄧名都可以在不長的時間裏想明白這裏麵的道理，吳三桂肯定也已經意識到他依舊握著重要的討價還價籌碼，而他在李自成最需要的時候用這個取得了他想要的結果。
“但吳三桂立刻就毀約了，你們不是被偷襲了，你們是在退兵、或者說是在調整軍隊部署的時候被吳三桂乘‘勝’追擊了！”
四月二十二日，大順軍在大將唐通的率領下，與吳三桂守軍在九門口展開了激烈的爭奪戰。吳三桂的守軍在九門口長城上雖然踞高臨下，占盡優勢，但大順軍部下士氣高昂，不斷地向長城上發起猛攻。從早至午整個山穀殺聲如雷，屍橫遍野，血流成河，雙方激戰半日不分勝負。
中午時分，李自成親率五萬援軍和數門紅夷大炮趕至了九門口。在李自成的指揮下，數門紅夷大炮齊射轟擊九門口，在炮火的掩護下，大順軍以裹鐵車牌，勾梯等攻城武器擁蜂而上。明守城軍士則遠以箭射，近以滾木擂石，棉油火把槍挑刀砍，瓦解擊潰了大順軍的多次猛攻，始終未讓大順軍登上長城半步。
就在大順軍與吳三桂主力在石河西激戰的同時，另有幾支大順軍分別攻打北翼城和東羅城，當時北翼城的守將是山海關副總兵冷允登，冷允登麵對大順軍的猛攻，他手揮彎刀，拚命抵擋，雖然也幾次打退大順軍的攻擊，但守城的軍隊也是遭受了重大的傷亡。但這還不是最可怕的，麵對大順軍輪番不停的狠攻。守衛北翼城的官軍軍心不穩，有些人已經打算作大順軍的內應，冷允登一邊要力阻大順軍攻城，另一方麵，還要防止城內出內奸，真是忙得焦頭爛額。
東羅城的情況更是不妙。麵對大順軍的猛攻，這兩城的守軍已經疲於防守了。吳三桂的主力在一片石與大順軍主力接戰，一直戰到日落西山，吳三桂這才得以收拾殘兵敗將，退回了山海關。聽著城外大順軍不間斷的炮聲，吳三桂感覺形勢不妙，可是現在怎麼能挽救這危及的局麵呢？
吳三桂手下的謀士給他出了個主意，那就是引清軍入關，讓清軍對付李自成的大順軍。吳三桂早就知道清軍已到連山驛附近的關外，正在窺探山海關的動靜，他將牙一咬道：“引清軍入關，也強似被李闖破關殺頭！”
吳三桂的求援書信就這樣被送到了多爾袞手裏，多爾袞屯兵連山驛，他一見書信大喜，認定這是突破山海關天塹的大好機會，便連夜進兵，一直來到了距山海關的十餘裏之外，多爾袞為了避免忙中出錯，便令手下摸黑紮營。