四月二十一日清軍距山海關十餘裏時，天色已經昏黑，多爾袞為了避免忙中出錯，便下令頓兵不進，觀察動靜，同時前鋒兵馬已在一片石與唐通部交戰，將其擊潰，並生擒二人。但多爾袞十分警惕，令將士夜間披甲戒嚴，並半夜移陣，前往山海關以東的歡喜嶺駐紮，“駢闐之聲，四麵遝至”，《沈館錄》卷7.多爾袞親駐歡喜嶺上的威遠台，靜觀形勢的發展。這時，多爾袞心中還沒有完全打消疑慮，便派使節到山海關去偵察，吳三桂也多次派人促請清軍入關，據說“三桂遣使者相望於道，凡往返八次”。計六奇《明季北略》卷20，“吳三桂清兵始末”，第495頁。其中吳三桂曾派山海關士紳佘一元、馮祥聘、呂鳴章、曹敏時、程印古五人去見多爾袞，並讓他們速去速回。多爾袞接見這五人時，“賜座賜茶，款接溫藹”，與範文程一起說明了來意，使這些地主官紳感激涕零，認為“煌煌十數語，王言實大哉！”雙方表示了相互信任之後，多爾袞便令範文程與這五人一齊到山海關城裏“曉諭軍民”，一方麵以清軍即刻便到來鼓舞士氣，一方麵不外宣揚清軍此來為崇禎發喪的目的，表示嚴守軍紀，以安民心。民國《臨榆縣誌》卷21，“事實編？鄉型”，同書卷8，“輿地編，紀事”，佘一元：“述舊事詩”五首之四。這樣一來，增強了守城者的鬥誌，為農民軍迅速解決戰鬥增添了困難。
在雙方使節多次交涉，山海關士紳又親見了多爾袞的基礎上，吳三桂決定親自出城去見多爾袞，請他立即發兵。而多爾袞遲遲不行，到此時已不是對吳三桂有什麼懷疑，而是雙方談判的條件還沒有講好。而形勢對吳三桂越是急迫，就越有利於多爾袞在談判桌上討價還價。這天天剛蒙蒙亮，吳三桂強冒矢林彈雨，率數騎赴歡喜嶺見多爾袞，與其進行了一場緊急談判。談判內容現已不得而知，但可以估計他們是以扶立明太子為帝，用裂土封疆酬清軍的條件成交的。關於此事雖無明確記載，但關於此事的分析論證，可見《中華文史論叢》1981年第2輯，陳生璽：“清兵入關與吳三桂降清問題”。多爾袞十分高興，立即與吳三桂對天盟誓，並與吳三桂約定：“讓你手下的士兵都在肩膀上係塊白布；不然都是漢人，我們就沒法區分你的軍隊和農民軍了，免得誤殺。”並讓吳三桂先走一步，與農民軍進行決戰，並答應清軍隨後就到。《清世祖實錄》卷4，順治元年四月己卯。
二十一日晚清軍在一片石擊潰了唐通的小部隊，唐通即奔回關內，李自成自然也就知道了清軍的到來。他晝夜環攻山海關城，就是為了搶在清軍前麵消滅吳三桂軍。由於已知清軍入關參戰，農民軍便在關內石河以西列陣，“北至山，南至海”，吳晗輯：《朝鮮李朝實錄中的中國史料》第3728頁。排成一字長蛇。而吳三桂先出迎戰，英王阿濟格率萬騎入北水門，豫王多鐸率萬騎入南水門，為吳三桂左右翼，多爾袞自率主力部隊從關中門進，並即赴石河西。這時，吳三桂已揮兵上陣，與農民軍交手。這已是雙方第二次交兵了，盡管在前一天的戰鬥中雙方都有損傷，但誰都知道這一次戰鬥將決定雙方的生死存亡，成敗在此一舉，所以雙方都投入了全部精銳，希圖在戰鬥中獲勝。
這真是一場惡戰！這天，大風狂吹，塵土揚起來，遮天蓋地，幾乎對麵不見人，根本談不上整整齊齊地列陣交手。一般記載上都說交戰中大風突起，頗對農民軍不利，實際上，交戰前大風即起，風漸小後始開戰釁。《清實錄》作“是日，大風迅作……我軍對賊布陣”；《李朝實錄》記，“時值大風，……吳總兵隨右側布陣進兵，大風即止，不意直抵賊營”，《沈館錄》亦未說交戰中起大風。另有佘一元《山海關誌》雲，“時值大風揚沙，滿、漢兵俱到石河西一帶”可見大風沙起於戰前，對於雙方之勝負均無大影響。有些滿洲將領不禁急躁起來，想乘勢殺將過去，但被多爾袞止住。多爾袞對諸王大臣們說：“你們千萬不要越伍輕進，農民軍力量很強，不是輕易打得敗的。大家應各自努力，這一仗打勝了，大業就成了。”
然後他把八旗主力部隊麵向大海、分層排開，主要針對農民軍的陣尾，而令吳三桂軍作為右翼之末，即最西端，實際上就是讓他作為前鋒，與列陣於石河西的農民軍首先交戰，自己銜住農民軍長蛇陣的陣尾，使其無法合圍自如，這體現了多爾袞戰術的高明之處。由於風卷黃沙，對麵不見人，所以吳三桂軍出農民軍之不意，出現在農民軍陣前。李自成在廟岡之上觀戰，見此情形，急令農民軍包圍吳軍。一霎時，金鼓之聲，呐喊之聲傳到百裏之外。在農民軍層層包圍之下，吳三桂率軍左衝右突，拚命死戰，但農民軍數量上勝於吳軍，戰鬥力亦很強，因此步步進逼，前仆後繼。吳三桂軍被圍在核心，向左突圍，便有農民軍號旗向左指，使軍隊向左迎擊；吳軍向右衝擊，號旗便向右揮，農民軍又向右堵截，使吳三桂恰如甕中之鱉，幾無脫身之路，“陣數十交，圍開複合”。彭孫貽：《流寇誌》卷12，第188頁。
“炮聲如雷，矢集如雨”。《沈館錄》卷7.雙方苦戰了大半日，直至下午時分，吳三桂開始支持不住了。劉健：《庭聞錄》卷1：“苦戰至日，三桂幾不支”上海書店，1985年。就在他精疲力竭的時刻，多爾袞抓住戰機，突令清軍出擊。於是，清軍三吹號角，呐喊三聲，以白旗騎兵數萬從吳三桂軍右側突入，“萬馬奔騰不可止”。④彭孫貽：《流寇誌》卷12.農民軍不畏強敵，仍然奮勇拚殺，劉宗敏勇冠三軍，但亦中箭負傷。計六奇：《明季北略》卷20.由於農民軍已與吳三桂軍相持了大半日，傷亡者較多，而且力氣耗費甚大，因此無法抵擋一直養精蓄銳、在雙方交戰中作壁上觀的清軍。況且清軍此次南來，出動人馬將近十二萬，加上吳三桂、高第的“關遼五萬眾”，自然是“胡兵似倍於流賊”。吳晗輯：《朝鮮李朝實錄中的中國史料》第3734頁。這樣，從力量對比上看，就是農民軍初次出戰，也不大可能占據上風。因為盡管農民軍戰鬥力很強，但其對手清軍和關遼邊兵也都久經戰陣，裝備上相差不多，這就決定了農民軍在這場戰鬥中難免失敗的噩運。在這種情況下，李自成當即下令撤退，清軍則乘勝追擊，一直追出四十裏開外，獲得許多駝馬緞幣。