八月中旬，李自成率部走出川北山區，返回陝西，稍事休整，便向東轉移，準備取道石泉、興安等地，移師湖廣、河南。在準備渡漢水時，左光先率官軍追到，李自成戰敗，於是放棄了繼續東進的計劃，轉入附近的山區活動。此時，李自成的部下人員銳減，所剩已不足兩千人。官軍圍追堵截，李自成得不到片刻歇息，部下得不到休整和補充。尤其令李自成煩心的是，農民軍首領不斷地向官軍投降，人心浮動。和他一起轉戰的六隊首領祁總管，竟然也不念舊時情誼，偷偷地率領他的六百餘人投降了官軍。這使得李自成更加勢孤力單。李自成還看到，有的農民軍首領就是被身邊的部下殺掉的，成了這些人投降官軍的見麵禮。這一切都使李自成不得不格外小心，以防被人暗算。這時從全國的情況而言，主要的農民軍首領大都已受撫，李自成身邊的一些首領也是戰死的戰死，投降的投降，所剩無幾，一直堅持與官軍抗衡的，主要的也就剩李自成這一支了。其餘的即使沒有受撫，這時也變得悄無聲息。李自成這時已無力與官軍正麵交鋒，更談不上主動進攻了，隻能與官軍周旋，躲避他們的重兵圍剿。不管形勢變得多麼險惡，李自成卻始終沒有受撫。僅從這一點上來看，李自成就比其他首領顯得有骨氣、有膽識。
李自成在陝西東南部的山區中活動了大約兩個月，境況很艱難。為了擺脫這種被動局麵，求得新的發展，李自成準備再次進入河南。但是，不知是洪承疇得到了情報，還是他的判斷準確，對李自成的這種動向預先做好了部署。1638年，洪承疇對孫傳庭說：“李自成窮途末路，一定要去潼關。你如果能在那裏設下埋伏，嚴陣以待，定能一舉搗獲李自成。”於是，孫傳庭在潼關南原，設下層層埋伏。由此可見，官軍已預先做好了充分的難備，設下三道埋伏，隻等李自成前來送死。為了盡快達到這一目的，洪承疇命令曹變蛟率精銳官軍深入山區，有意識、有目的地將李自成驅趕往潼關方向。李自成不能應付，節節敗退，不得不率師向潼關方向奔去，並想從這裏移師河南，等待時機，以便東山再起。
這樣一來，李自成就進入了官軍的埋伏圈。官軍平時的士氣可能還不那麼高，他們欺軟怕硬，但此時雙方的力量形成鮮明對比，他們誌在必得，因此士氣高漲。李自成農民軍在包圍中橫衝直闖，沒有可逃的出路。經過幾晝夜的血戰，大多數義軍戰士壯烈犧牲。激戰中，李自成同妻子女兒失散，隻帶了七個人逃走。這就是曆史上有名的潼關南原大戰。這次戰役中，李自成的隊伍幾乎全軍覆沒。
自李自成起事至今，潼關南原大戰是他最慘重的一次失敗。在此後半年多的時間裏，他和少數幾個親信在陝南和川、鄂交界的山區中藏來藏去，不敢正麵對敵，因此，沒有與官軍發生過大的戰鬥。直到次年五月張獻忠複叛以後，李自成才又活躍起來。