山海关城，依山临海，与长城连为一体，防御十分严密。只要有足够的军队防守，任何强大的敌人都很难轻易破关。从努尔哈赤到皇太极，几十年来，后金——清军一直慑于山海关无懈可击的防御体系，从不敢冒险强行攻打关城，每次进兵总是取道内蒙古，从北部长城诸隘口破墙而入。但此时不同，吴三桂麾下虽说有五万辽兵，但已缺饷十四个月，仅靠李自成上次送来的四万两犒师银和城内士绅筹集的少量饷银辛苦维持。而对手则是刚刚攻占北京，一路势如破竹，声势浩大的农民军。因此，吴三桂不敢怠慢，一方面联络清军，一方面加紧布置城防，并派遣部将向农民军“诈降”，谎称还有议和的可能。李自成也果真上当，放慢了进军速度，派手下去上海关与吴三桂谈判。结果京城到山海关原本三四日的行军路程，居然走了九天，直到四月十九日李自成大军才抵达关前。发现上当的李自成作出了最后一次劝降努力，遭到吴三桂的断然拒绝。次日清晨，李自成挥师向吴军攻来。战斗首先在山海关前的石河以西（今山海关区燕塞湖一带）展开。对于农民军来说，此战是夺取北关锁钥，阻挡清兵进路，巩固在北京建立的统治的关键一战；而对吴三桂来说，则是决定生死存亡、性命攸关的背水一战。因此，双方皆拼死力战。
战斗持续了一天一夜，吴军数次将农民军的进攻打退，双方皆伤亡惨重，但吴军终归寡不敌众，逐渐有些招架不住。就在这时，疲惫不堪的吴三桂终于等到了清军接近的消息。当夜，吴三桂多次派使者到清营，敦请多尔衮尽速入关。
但多尔衮却并不急于参战，而是仅推进至山海关东侧四五里处的欢喜岭便就地扎营。之所以如此，一是因为双方长期处在敌对状态，难免有所怀疑，故多尔衮暂缓前进，以探虚实。此外，多尔衮也在等待最佳时机，只有让吴三桂陷入绝境的时候，才能逼其就范，反客为主。
二十二日，吴三桂见清军拖延不动，心急如焚，急忙又派使者前去催请。这次多尔衮作出回应，他派出大学士范文程随同使者返回山海关，面见吴三桂。范文程是清朝的高级决策人物，他的到来，对吴三桂是个很大的鼓舞。经过一番密谈，吴三桂决定亲自到清营与多尔衮面谈，当即率领数百亲兵，突围至欢喜岭清军驻地。
得知吴三桂的到来的消息，多尔衮非常兴奋，当即大呼：“天下在掌中矣！”亲自率众出迎。
据史书记载，此次面谈，吴三桂慷慨而言，“情词恳切”“声泪俱下”。他向多尔衮提出：清军入关与吴军合力击败农民军，但不得伤害关内百姓，不得侵犯明朝的陵寝。战争胜利后，拥立故明太子或永王、定王在南京即位复国。作为回报，明朝将北部山河划给清朝，双方以黄河为界，世代结成友好邻邦。
多尔衮在出兵前，曾与范文程、洪承畴等人详细讨论，初步确定此战的目标是夺取河北等北方数省，如果进展不顺就再次劫掠中原后退回关内。哪知刚刚进军就遇到吴三桂请兵之事，如今他又亲自前来，提出愿与清兵合击李自成，消灭清朝夺取天下的劲敌，还提出“裂土”酬谢，把黄河以北土地让给清朝，这是完全符合他的既定目标的。因此多尔衮当即表示要与吴三桂歃血为盟，并保证克期出兵，秋毫无犯。但同时，多尔衮又玩弄了一个花招。他提出：由于农民军与吴兵装束甲仗相似，无法辨认，恐致误伤，要求吴三桂与其将士“剃发”以相区别。
此话表面是拿“避免误伤”作文章，实际上是逼迫吴三桂投降。因为传统儒家思想中有“身体发肤取之父母，不可轻动”的要求，因此汉族政权统治下的臣民从小就不会擅自剪发，一般用头巾或冠带将头发束起，保持始终。在中国古代，还有一项强行给犯人剃光头发的刑罚，叫“髡”，表示对犯人的巨大侮辱。而契丹、女真、蒙古等民族则大都不会秉承这一传统。以女真人为例，男子在很小的时候就会剃光前额及两侧头发，仅留后脑余发，梳起辫子，后人称之为“金钱鼠尾式”。在几十年的明清（金）战中，清人逐渐以剃发与否作为顺逆的标志，从第一个投降后金的前明游击将官李永芳，到渡海来降的孔有德、耿仲明、尚可喜，以及松锦战败的洪承畴、祖大寿等大小汉族将领，在正式投降时都要先行剃发。及至清军入关后，“剃发令”推行全国，竟提出“留发不留头，留头不留发”的残酷谕令，可以证明，“剃发”实际上就是投降清朝的代名词。
吴三桂当然了解其中含义，这对他来说是一个极大的考验。青年拜将的吴三桂从小就把后金——清军作为不共戴天的敌人，自从松锦大战后，吴三桂一次又一次地拒绝了清朝的招降，哪怕他明知乞求清朝是目前唯一的出路，但他还强撑面子，以“平等”的态度对多尔衮强调：“如果清朝不同意按要求出兵，就请在关前决一死战！”可实际上，他已经陷入绝境，根本没有讨价还价的资本。自甲申之变后，吴三桂失去了旧主，失去了爱妾，而选择与农民军决裂，又使他放弃了父母、家小的性命，连“孝子”都作不成了，现在这个世上他唯一珍惜的就是自己的生命。面对关前李自成大军的压迫和多尔衮的威逼利诱，他已经别无选择。于是，吴三桂作出了那个影响历史进程的重要决定。他对多尔衮说：“好吧。我并非懦怯，实在是兵力不足。假如再给我万名骑兵，还会惧怕‘闯贼’吗？现在既然向您乞师，与您盟誓，那么剃发也无所谓了！”说完，便与手下自行剃发，表示归顺。
多尔衮见状大喜，当即设下仪仗，杀白马、乌牛祭拜天地，与吴三桂歃血订盟，斩衣折箭为誓，表示双方恪守诺言，绝不反悔。多尔衮考虑到时间紧迫，关城中的吴兵来不及剃发，便与吴三桂相约，令吴军兵士用白布系在肩上，作为记号，以免误杀。从此处也可以看出，他之前要求吴三桂剃发只是借口，实际上是胁迫其投降。
随后，吴三桂率随从将士返回关城，下令打开城门迎接清军入关。很快，在摄政王多尔衮及英亲王阿济格、豫王多铎带领下，五万八旗劲旅先后进入山海关城，其余各部仍驻欢喜岭待命。
按约定，吴三桂先率五万辽兵出战。此时李自成大军已在石河西岸的红瓦店一带摆开阵势。吴军首先呐喊着飞驰过河杀向农民军，李自成也挥师迎敌。此时天空忽然刮起了大风，飞沙走石，昏天黑地，双方在狂风怒号的伴随下，杀到一处。
吴三桂见到仇人，分外眼红，手提大刀，身先士卒，率军奋力冲杀，所向披靡。农民军也毫不示弱，依仗优势兵力对吴军迎头痛击。 一时间“炮声如雷，矢集如雨”，连营并进，前仆后继，逐渐将吴军包围。
正当吴军与农民军战得难解难分之时，多尔衮率领的五万八旗劲旅突然从侧翼杀来。
其实，进入关城后，多尔衮一直在城头观望，他并不想立即参战，而是要借机观察农民军的虚实，更主要的是，他要利用吴军打头阵消耗农民军的实力，使清军以逸待劳。
不觉间，战斗已持续到中午，吴军激战半日，筋疲力尽，眼看支持不住了。多尔衮抓住战机，突然下令出击，蓄锐待战的清军数万铁骑迅速从吴军侧翼闪出，如“万马奔腾不可止”，疾风骤雨般向农民军杀来。
当时农民军也已鏖战半日，与吴军杀得两败俱伤。而清军铁骑则锐气正旺，勇猛冲锋，所向披靡。吴军本已陷入困境，突然得到清军增援，顿时振作起来，与清军展开联合作战，战场形势迅即改变。
农民军终于透过风沙弥漫的战场看清了敌人的真面目，顿时惊呼：“鞑子兵（清兵）来了！”阵势瞬间崩溃，一路丢弓卸甲，自相践踏，死伤累累，陷入一片混乱，连大将刘宗敏都中箭负伤。李自成见大势已去，带领农民军残部向北京方向溃逃。吴、清联军穷追猛打，一直追出四十里才收兵。
石河之战，打得尸横遍野，十分惨烈，仅农民军方面就死数万人，吴军也死伤大半。但这场血战的结果却改变了清朝以及李自成、吴三桂的各自命运，而中国的历史进程亦随之而改变。