正当吴三桂为皇太极之死幸灾乐祸、企图振兴国运的时候，大明王朝的国运已经走到了尽头。崇祯十七年（1644年）正月，李自成领导的农民起义军在西安建国，国号大顺。接着，大顺军挥师东下。3月初，兵抵京畿。崇祯皇帝惊恐万状，忙下诏封吴三桂为西平伯，令他放弃宁远，火速率兵回京勤王。吴三桂接到崇祯皇帝的命令，率领几十万大军迤逦西来。3月16日到达山海关。3月19日，李自成的大顺军攻克北京，崇祯皇帝吊死于煤山，明朝灭亡。这时，吴三桂的军队，抵达离北京还有280里的丰润。闻讯之后，立刻率大军返回山海关。
明朝灭亡了，吴三桂在清与大顺军中间抉择陷入深思：他虽然拥有一支号称50万的大军，实际上也只不过几万而已，其余都是随行的家属与随迁的辽东居民，独树一帜，恢复大明，显然是不可能的；但究竟是归顺大顺还是投降大清，他面临着紧迫的选择。他知道自己的重要性：他有精兵数万，控制着京都咽喉山海关。他若归顺大顺，就可以阻止清兵入关，使新建的大顺政权得以巩固，赢得发展；他若投降大清，清军便可以长驱直入，兵逼北京，与大顺政权争夺天下。吴三桂按兵不动，等待形势的变化。
入居北京的李自成，从考虑东方边境的安全出发，打算争取吴三桂。因此，他让居住在北京的中军府都督吴襄给儿子吴三桂写信劝降。吴襄的信中写道：“今事机已失，天命难回，吾君已逝，你父我危在旦夕。识时势者，知道变通之计。我现在为你着想，及早投降，不失封侯之位，而且还能全孝子之名。否则，寡众不敌，一朝歼尽，使你父无辜受杀戮之辱。身名既丧，臣子俱失，那将是令人何等的痛心！”
吴三桂收到父亲的来信，心潮如涌。要他投降一向视为反贼的李自成，他过去确实是没有这个思想准备。可是反贼如今已经成了新朝之主，全国的江山已经半为所有，说不定最后真可能成为一代新朝。况且全家人的性命，几代人积累的家财都掌握在大顺军的手中，特别是爱妾陈圆圆……想到了她，吴三桂的心不由得一阵抽搐。如果他不投降，家人、财产顷刻之间都会化为乌有。他心乱如麻，一时也拿不准主意。正在这时，李自成派降将唐通带犒师银4万两和1份封侯的诏书来到吴三桂的大营中。吴三桂的军队，已经14个月没有发饷，官兵恨怨。这4万两白银正好可以用来稳定军心，解燃眉之急，而且高官厚禄，即日可得。既然故国已亡，先帝宾天，归顺新朝，也不谓之不忠。吴三桂沉思不语。唐通见状，知道吴三桂已经动摇了，于是劝说道：“先帝已殁，明已无君，君既不能再生，父宁可再死？不如归降，既可保全尊父以尽子孝，又可不失封侯之贵，何乐而不为！”“不失封侯之贵”这正是吴三桂所最为关心的。学成文武艺，货于帝王家。既然大明皇帝不能再“货”，货于大顺皇帝有何不可？！吴三桂点头应允道：“既如此，我为老父故，无奈投降，请君先行回复，我不日即入京朝见新主。”
当日，吴三桂召诸将议事，说道：“都城失守，先帝宾天，三桂世受国家厚恩，宜当以死报国。但今闯王势大，唐通、姜襄皆已投降，我孤军不能成立。今闯王使至，是斩还是从？各位请发表高见。”众将官一时也摸不清吴三桂的意思，不好直言是抵抗还是投降，只好按照军人服从命令的习惯回答：“今生死唯将军之命是从！”吴三桂遂宣布归从大顺。这时，有一人高叫：“不可！”吴三桂一看，乃是部将冯鹏。吴三桂不悦，厉声喝道：“我主意已定，不从者军法从事！”不数日，李自成复派唐通率兵来到山海关，接替吴三桂。吴三桂办完交接，带领数千精兵，向北京发进。但狡猾的吴三桂，为了防备万一，又屯兵于九门口，用以应变。
吴三桂一路上，从山海关至永平。大张告示，谓：“本镇率所部朝见新主，所过秋毫无犯，尔民不必惊恐。”
4月5日，吴三桂来到永平（今河北省卢龙县）以西的沙河驿时，遇到了从京城里逃出来的家人。吴三桂详问家中近况。家人道：“现在京都已经闹得不成样子。闯王入京后，日夜拷逼大臣，苛索财物。叫做‘追赃助饷’。府上的家财多被抄没，老爷也被抓去拷逼。”这突如其来的消息，使吴三桂大吃一惊，感到困惑不解。他暗自思忖：“李闯王既然招我归降，封我为侯，又为何要抄没我家，拷掠我父？既然要立新朝，又为何不安抚官心、民心，却在京中大搞‘追赃助饷’？”他对这位“新君”，感到失望。
原来，李自成的大顺军进入北京，接管了明朝的统治机构以后，为了补充军饷，成立了“比饷镇抚司”，向明朝的勋戚显宦和富商大贾追赃助饷。规定：罪大恶极的处死，财产没收。其余在京诸官，不论用与不用，都必须输纳银两。内阁十万金，京卿、锦衣七万或五万或三万，给事、御史、吏部、翰林五万至一万有差，部曹数千。“勋戚之家无定数，人财两尽而后已。”那些贪官污吏自然不会情愿献纳，起义军便以关押、严刑追赃。李自成的大将刘宗敏总负其责。他造夹棍五千副，在衙门或路边架设刑具，日夜拷掠追赃。先是官吏，后来连小商小贩稍有财产之家，也逮捕加刑，追缴财物。吴襄虽然有招子投降之功，同样也被拘捕、抄家。李自成的起义军所搞的“追赃助饷”，是对原来的剥削者进行剥夺，从这个意义上讲，有可以理解的一面，但在他刚刚进入北京、尚未站稳脚跟之时，如此激烈地、扩大地，而又不加区别地采取这一行动，显然是极不策略的。它使当时在大势所趋的形势下正在归向起义军的原明朝官吏，又被推回到对立面，使起义军陷入孤立。
困惑、失望的吴三桂，不由得又产生了一种恐惧，他入京后结果又将如何？可是，如今已经走上了归降大顺之路，难道还要北返投清不成？如今父亲与家人都在大顺军手中，只好先去北京看看再作计议。自己有号称50万的大军屯驻边关，谅他李自成也不敢轻易加害。想到此，遂故作镇定地对家人说：“老爷被拘，家产抄没，这倒无妨，我到京后，自然会放人还产。”不料，家人又说道：“还有一事要禀告将军，家里的夫人，也被闯王选入后宫，贞辱生死尚且不知哩！”吴三桂忙问：“是哪个夫人？”家人道：“除了那个陈圆圆姑娘还能有谁？”
吴三桂听说爱妾陈圆圆被抢，顿时怒火中烧，从座椅上跳了起来。如果说老父被抓，家产籍没，这是出于大顺军的政策，并非吴氏一家，情有可原。可是公然霸占他的爱妾，这岂不是太蔑视他这数十万大军的统帅吗？他感到蒙受了奇耻大辱，对李闯王的最后一点幻想也破灭了。他厉声叫道：“大丈夫不能保一女子，何面目见人？不灭李贼，此恨难消！”说罢，拔出佩剑，挥手砍去案角。传令从军，火速返回山海关。他决定投依大清国，誓与大顺军死拼到底。
对于吴三桂这一转变，明末清初著名诗人吴伟业特作了一首《圆圆曲》，诗云：
鼎湖当日弃人间，破敌收京下玉关。
恸哭六军俱缟素，冲冠一怒为红颜。
吴伟业把吴三桂反李自成完全归结于是为了争夺陈圆圆，失于偏颇。不过“红颜”陈圆圆的被抢掠，也确实是其中的一个重要的因素。
李自成进入北京后，闻陈圆圆貌美多艺。这时吴襄已降，李自成便向吴襄索取陈圆圆，并籍没其家。李自成见到陈圆圆，喜爱非常，留于内宫。
吴三桂回师山海关，击败李自成派来接替守关的兵将；下令全军将士为崇祯皇帝缟素服丧，声言为先帝复仇。
李自成闻报，执吴襄于军中，亲率20万大军讨伐吴三桂；又令降将唐通、白广恩率2万骑兵绕出关外，夹击吴三桂。
吴三桂见李自成势大，自知不敌，遂采纳部将胡有亮和谋士方献廷所献的“借兵之策”。派副将杨坤、游击郭云龙为使，带着他的书信去大清国向睿亲王多尔衮乞师。这时，多尔衮正率军西出攻明。大军到了距宁远只数里的翁后，闻报吴三桂遣使求见，多尔衮传令入帐。杨坤呈上吴三桂的书信。多尔衮见信中写道：
“流贼逆犯天阙，先帝不幸，九庙灰烬。今贼僭号称尊，罪恶已极。吴三桂受国恩，欲兴师以慰人心。奈京东地小，兵力未集，特泣血求助。我国与贵朝通好二百余年，今无故而遭国难，贵朝应恻然念之，且敌臣贼子，亦非贵朝所宜容也。夫除暴翦恶，大顺也；拯危扶颠，大义也；出民水火，大仁也；兴灭继绝，大名也；取威定霸，大功也；况流寇所聚，金帛子女，不可胜数。义兵一至，皆为所有，此又大利也。王以盖世英雄，值此摧枯拉朽之会，或难再得之时也！乞念亡国孤臣忠义之言，速选精兵，直入中协、西协（这是清军入边的老路。中协指喜峰口、龙井关等处；西协指墙子岭、密云等处），三桂自率所部，合力以抵都门，灭流寇于宫廷，示大义于中国，则我国之报贵朝者，岂惟财帛，将裂土以酬，决不食言。”
多尔衮阅毕，大喜，认为这是天赐进取中原的良机，并立刻召大学士范文程及洪承畴商议决策。当日即给吴三桂复信。信中写道：
“闻流寇攻陷京师，明主惨亡，不胜发指，因而率仁义之师，沉舟破釜，誓必灭贼，出民水火。平西伯遣使致书，深为嘉悦，遂统兵前进，伯思报主恩，与流贼不共戴天，诚忠臣之义也！伯过去一直镇守辽东，与我为敌，今不必因前故再存怀疑。昔管仲射桓公中钩，后桓公用之为相，以成霸业。今伯若率众来归，必封以故土，晋为藩王，一则国仇得报，一则自家可保。子子孙孙，长享富贵。”
多尔衮答应了吴三桂出兵相助的要求，但条件与吴三桂不同：吴三桂是以明朝的名义向清国借兵，平息内乱；而多尔衮则要吴三桂降清。多尔衮遣回郭云龙，并派妻弟拜然同往，随时拔营起兵，火速进发。
四月十八日，李自成率大军抵达山海关，将关城重重包围。
二十日，清军到达连山，接到吴三桂派郭云龙送来的第二封信，告知“贼兵朝夕且急，愿如约，促兵以救”。多尔衮知道，一旦山海关被李自成所得，清军入关的计划很可能就会化为泡影，于是命令军队连夜进军。
二十一日，李自成与吴三桂在山海关城外展开激战。李自成命吴襄在阵前致书，再次劝吴三桂投降。吴三桂回答道：“父既不能为忠臣，三桂亦怎能为孝子……贼虽置父鼎俎旁以诱三桂，不顾也。”两军整整激战一日。战势渐渐对吴三桂不利，李自成的大顺军开始攻城，城门几危。
二十一日晚，清军到达距山海关十里的地方，在一片石打败了夹击吴三桂的唐通与白广恩。
二十二日，清军进到距关城二里的威远堡时却突然停止前进。这时，李自成的大顺军又发起攻城，几次攻上城墙，关城几不能守。吴三桂知清军已到，一连派出三批专使去请，可是清兵却仍然不动。吴三桂无奈，只好在城上炮火的掩护下，亲率200精兵前往多尔衮的大营求救。多尔衮要求吴三桂剃发设誓。吴三桂的命运此时已经完全控制在多尔衮的手中，不由不从，即在军中剃发。其实，这是多尔衮故意施加压力，迫使吴三桂放弃“借兵”的立场，要他彻底投降。刀动发落，一瞬间，吴三桂由大明朝的辽东提督、平西伯变成了大清国的臣子。
四月二十三日，多尔衮率兵进入山海关，与李自成的大顺军展开决战。李自成的20万大军列阵山海关之间。多尔衮命吴三桂军以白布系肩为标志，先与大顺军交战。吴三桂亲自上阵，与大顺军恶战数十回合。中午，大风骤起，吼若雷鸣，飞沙走石，咫尺不见。这时清兵乘势杀入。李自成的大顺军完全没有料到清军会突然参战，顿时惊慌失措，全线溃败。李自成杀死吴襄，退回北京。吴三桂一路追杀，连败大顺军。
李自成回到北京后，杀死吴三桂全家三十余口。李自成四月二十九日登基称帝。这天，清军、吴军的先头部队已经进入北京郊外，李自成毫不理会，毅然即位，在武英殿举行即位典礼，追尊七代祖妣为帝后，由天佑阁大学士牛金星代行祭天礼。时间紧迫，即位仪式草草结束，立即着手撤退。
李自成令全军整束行装，收拾宫中尚未运完的宝物，随军带走。午后，用马骡驮薪木运至内殿，用车辆把大量硝磺、桐油等易燃物散放在薪木之上。接着，发出通告，令百姓出城。霎时，城内到处人喊马叫，一片混乱。到夜里十时左右，李自成下令放火、发炮。硝磺、桐油一见火，嘣地一声，转眼之间，星星之火已变成烈焰，被引着的薪木发出噼里啪啦的声响。炮弹击中宫殿，倒塌声震天动地。宫城九门雉楼及大部分宫殿笼罩在火海之中。城外草场也被点燃，火光熊熊，与宫中大火相映，火光烛天，照耀得如同白昼。
三十日，天蒙蒙亮，宫中大火继续在燃烧，李自成挟太子、两王从容出齐化门，刘宗敏等继其后，撤出北京，留原降将左光先及谷大成率万名骑兵殿后。
农民军刚出齐化门，忽见烟尘滚滚，眼睛被呛得难以睁开；马蹄相撞，坐骑不稳，又听得不远处喊杀声，人马受惊，队伍一阵大乱。原来，吴三桂见城中火起，侦察到农民军将要向西撤退，便在西山设疑兵，搜求数千个酒罂，里面装入石灰，乘夜埋在齐化门外的大道上，每隔数尺埋两个酒罂，上面覆盖浮土。李自成毫无察觉，当大批骑兵路经此处，马蹄踩中酒罂，陷了进去，惊得马匹乱踢，后边的马也跟着乱踢起来，一下子踢得石灰飞扬，人马被石灰呛得睁不开眼，埋伏在西山的吴军只虚声呐喊，结果把农民军队伍搞得大乱，互相挤压、撞击，在慌乱中争先逃命……
李自成如一过客，来也匆匆，去也匆匆，他做北京的新主人不过41天，才当了2天皇帝，便带着终生的遗憾走了。
走前，李自成曾想杀死陈圆圆。陈圆圆对李自成说道：“听说吴将军曾卷甲来归，后来只是因为我的缘故，又复兴兵。今王杀我不足惜，但恐怕吴将军更与王为死敌，对你不利。我为王着想，不如将我留在北京，用以缓敌，我当劝他不再追赶，以报答王对我的恩遇。”李自成于是将她赦免不杀。
五月一日，多尔衮率清兵进入北京，由此建立起清王朝在全国二百多年的统治。吴三桂因献关降清有功，被封为平西王。当陈圆圆经历了一场风雨之后再回到吴三桂身边时，她首先看到的是光亮的头顶后拖着的一根长辫子。