在這種有利的情況下，進攻北京的計劃很快被提到了日程上來。1644年正月，李自成率軍進攻北京。崇禎皇帝得知李自成進攻北京的消息，心裏哀歎大勢已去，但還想作垂死掙紮。崇禎帝下詔讓吳三桂進京勤王。此時山海關總兵吳三桂，接到勤王的詔書，怕李自成兵力強大，不敢進兵，但又不能不奉詔，當天下達命令，率兵士五萬人，向京師進發。但其每天行軍才三十裏，有意遲遲緩進。吳三桂的打算是拖延時間，待到各路援兵聚齊後，兵力雄厚，再和李自成交戰，那就不怕他了。誰知才行軍到豐潤，京城失守的消息便傳來了，吳三桂見大勢已去，幹脆屯兵觀望。
李自成的農民軍臨近北京，軍隊分成兩路。一路由李芳亮帶領進入豫北，攻取保定，會師北京。另一路由李自成、劉宗敏率領進攻北京。農民軍一路所向披靡，每進一城，百姓們張燈結彩，載歌載舞，歡迎農民軍把他們從苦海中解救出來。
三月，農民軍大部隊已來到了北京城下，開始了對北京城的圍攻。這一天，月色昏蒙，寒風淒冷，京城外的火光，慘紅如血。一陣陣的啼哭聲，夾雜著炮火聲和喊殺聲，晝夜不絕。崇禎皇帝扶著王承恩，踉踉蹌蹌地轉回南宮，到了萬歲山上，倚在壽皇亭的石欄邊，遙望城外烽火連天，哭喊呼嚎聲、兵器聲、馬蹄聲，隱隱可辨。火光四處不絕，照得滿天通紅，看到農民軍已近在咫尺，繁華的京都，瞬時變成了一片焦土，這時天空的月光被濃雲遮掩起來，越發顯得大地黝黑，舉目都是一副淒慘的景象。此時的崇禎帝才深深地感到了絕望，明白大勢已去，長歎一聲，含著淚爬上石扶欄，把頭頸套進了絲絛，雙腳一蹬，身體就高高地懸在樹枝上了。崇禎帝吊死在了萬歲山的一棵樹上。腐朽的明王朝也隨著崇禎帝的死走到了盡頭。
大順軍在北京城百姓的歡呼聲中邁著勝利的步伐開進城裏。此時崇禎皇帝殉國的消息傳到了吳三桂那裏。吳三桂雖率領大軍，但害怕李自成兵力強大，不敢向前，隻是按兵不動。正在觀望之際，忽然聽到李自成派遣使者來到，吳三桂吃了一驚，隨即命令手下傳使者進來，使者送來了勸降吳三桂的書信。吳三桂爽快地答應歸順。在吳三桂回京的路上，聽到一位從京城裏逃出的家人說，老爺吳襄被劉宗敏抓走，遭到嚴刑拷打，家中銀兩全被搶走，愛妾陳圓圓被劉宗敏搶走，至今下落不明。吳三桂一聽，這還了得，立刻暴跳如雷，誤以為自己被李自成騙到北京，然後剝奪家財與軍權，他發誓要殺了李自成。
吳三桂馬上帶兵返回山海關，向唐通突然發起進攻。因唐通剛在山海關駐防，立足未穩，所以很快被吳三桂擊敗，山海關重新回到吳三桂的手中。李自成得知山海關失守後，為事情的突變而吃驚，也為招降之事功虧一簣而感到後悔，他隻好親自出馬去對付吳三桂。
1644年，李自成親自率領大軍向山海關方向進發，北京由丞相牛金星和李過留守。李自成的大軍在四月抵達永平，二十一日到達山海關，於是立即投入了戰鬥。以前清兵數次內犯，都沒經過山海關，而是繞道南下。山海關號稱“天下第一關”，地勢險要，軍事設施齊全。此時吳三桂早已同境外的清軍聯絡妥當，請求清兵援助。清將多爾袞對此求之不得，立刻回信答應此事。一場激戰不可避免。
李自成的大軍首先和吳三桂的軍隊在西羅城展開激戰。兩軍從早晨戰至中午，吳三桂的力量明顯處於劣勢，西羅城於是被李自成軍攻占，這時吳三桂的一支炮兵趕到，突然向李自成軍發起猛烈炮擊，穩住了陣腳。到二十二日早晨，駐守北翼城的吳軍抵擋不住李軍的猛攻，已向李自成軍投降。吳三桂軍千方百計防守，險象叢生，露出全線崩潰的跡象。在此危急時刻，清軍突然趕到援戰，從而使戰局為之一變。
清兵突破李自成軍的防線後，吳三桂軍的士氣大增，也發起反擊。雖然劉宗敏奮勇追擊，頑強督戰，帶領的部下也是三軍之首，但此時也沒法挽回頹敗之勢。他本人也被流矢擊中，受了重傷。李自成眼看敗局已定，於是急命撤軍。
山海關之戰是明末三大軍事力量同時參與的一次大會戰，也是決定大順政權能否繼續存在的一次決定性戰鬥，在某種意義上它也改變了中國的曆史：大清政權代替了大順政權。
麵對著強大的敵軍，李自成沒有任何退敵的妙計，隻好做出痛苦的抉擇——退出北京。