明崇祯十七年（1644）农历正月初八（2月15日），农民军领袖李自成统率步兵40万，马兵60万，从西安浩浩荡荡地出发，向明王朝的统治堡垒北京城发起了最后攻击。大军渡黄河进入山西，一路以破竹之势攻取蒲州、绛州、平阳、洪洞、赵城、霍州、灵石、汾州，二月初五（3月13日）进抵太原城下。第二天，大顺军开始攻城，雁北阳和兵马3000人在南关阵地起义，向大顺军投诚。二月初七，狂风大作，拔木扬沙，城中人心惶惶，山西巡抚蔡懋德急调张雄守迎泽门，而张雄早已缒城出降。当天夜里，张雄事先布置的兵卒在新南门放火烧火药库，风助火力，声势惊人，守城兵士骇散。大顺军乘势登城攻入，经过巷战，次日凌晨占领太原。巡抚蔡懋德自杀，晋王朱求桂被俘。
李自成在太原休整8天后，率大军北上取宁武，遭遇镇守宁武关的山西总兵周遇吉的顽强抵抗。周遇吉十分骁勇善战，大顺军限周遇吉五日内投降，周遇吉发大炮轰击，大顺军攻城部队伤亡惨重。他又设伏诱大顺军入城，急下闸门关闭数千人，全部杀死。大顺军用炮攻城。城墙被轰开缺口，几次都被他重新堵住。但是大顺军人多势众，奋不顾身，前队死，后队复继，经过反复激烈的厮杀争夺，终于在二月二十二日（3月30日）攻克宁武城。周遇吉拼死不投降，巷战马毙，徒步跳跃，手格杀10人，身上中满箭矢，最后力战不屈身死，其全家亦自焚而死。宁武关战役是李自成进军北京途中遇到的最大抵抗，农民军伤亡数万人马。
宁武关的攻克，给大同守敌以极大震动，明朝大同总兵姜瓖遣人暗献降表。李自成、刘宗敏率大军继续北上，三月一日（4月7日）到达大同。姜瓖开门投降。大同巡抚卫景瑗被俘。李自成劝他归降继续做大顺政权的巡抚，他却死心塌地要为明廷尽忠。初六日自杀于僧寺。代王朱传曾主持守城，各城门都由诸郡王分守，姜瓖射杀永庆王，才开得一城门迎大顺军入城。李自成下令将代王全家老小及其宗室全部杀死。
大同是京师的重要藩屏，东连宣府，西界黄河，南接并州，北控沙漠，军事地理位置非常重要。顾祖禹《读史方舆纪要》称大同为“京师藩屏，边城要冲”。早在明代就是北部边防的军事重镇，驻扎有13万边军，配备有马、骡、驴5万余匹，每年驻防兵士生产粮食50多万石、马草17万束、秋青草176万束，当地老百姓每年要运送小米、麦子、黑豆近42万石，还要割草60万束，输盐8万引。明清两朝均在此驻扎重兵，先后设有宣大总督、大同巡抚、镇守中官、大同总兵等文武大员，并在大同周围修筑左、中、右、前、后五卫，形成卫所星罗、墩堡密布，共有城堡64座，敌台89座，墩台788座的坚固防御格局。姜瓖投降李自成在明朝营垒中引起连锁反应，宣府守将王承胤、监军太监杜勋，居庸关守将唐通、监军太监杜之秩，都先后献城投降。李自成大军以席卷之势，长驱直入，三月十七进抵北京，城外的明朝三大营都溃不成军。三月十八（4月24日），太监曹化淳开彰义门，大顺军进占外城。三月十九日，明崇祯帝自缢于后山（今景山公园）。当天，大顺军破内城各门，李自成头戴斗笠，乘乌驹马入城，入承天门（今天安门），登皇极殿。明朝灭亡。
公元1644年，是一个中国历史发生剧烈动荡变革的年头。短短40天内，江山易色，政权两次更迭。明朝崇祯帝、农民领袖李自成、关外满清贵族集团先后登台亮相，上演了一幕幕改朝换代的兴亡活剧。这年五月，李自成在北京刚做了几天皇帝梦，屁股还未坐稳，清兵就在吴三桂的勾结下杀进北京城。清军入北京后，很快打败李自成的农民军，推倒大顺农民政权，将李自成撵出北京城，并立即向山西、山东两翼展开，为大举南进做准备。
六月，清摄政王多尔衮采取军事、政治双管齐下办法，一面准许恭顺侯吴惟华招抚宣大、山西，一面以固山额真叶臣领兵做后盾。不久，原已投降农民军的明大同总兵姜瓖见风使舵，杀大顺军将领柯天相等背叛，大同地区遂落入清朝之手。吴惟华乘势招抚大同以南的代州、繁峙、崞县（今山西原平市）一带。七月初三，清廷命平定山东的固山额真觉罗巴哈那、石廷柱部移师会同固山额真叶臣军进攻山西。到九月十五（10月15日），同姜瓖一样投降大顺政权的明将唐通，也在驻地保德向多尔衮献降表，于是山西北部尽归清廷。
九月十三日，固山额真叶臣统率清军经固关、平定、寿阳、榆次进至太原城下。太原是北方军事重镇，城高墙厚，大顺军守将陈永福实施“坚壁清野”的办法固守太原城。清军炮火猛烈攻城，大顺军将士拼命死守，一些阵地反复易手，双方激战20余日不能攻下。十月初三（11月1日），叶臣奏请清廷调来“西洋红衣大炮”，集中火力猛轰西北城角，城垣倒塌数十丈，清军蜂拥而上。大顺军将士浴血奋战，双方展开了残酷的白刃格斗，最后大顺军从东门突围出城，又遭到埋伏截杀，死伤惨重，节度使韩文铨战死，大顺军绝大部分将士壮烈牺牲，主将陈永福率一部分兵士突出重围，省城太原陷落。
当年八月间，另一路清军在主将孟乔芳率领下，从泽州北上进攻长治，大顺军守将刘忠力战不利，被迫撤离长治。孟乔芳占领长治后，仅留一部分清兵防守，暂以明朝潞安府通判冯兆圣署理冀南道事，而后率领所部北上参加清军布置的会攻太原城战役。败出长治的刘忠部趁势折回想夺回长治，但由于先前为防清军攻城，拆毁城乡房屋实行坚壁清野，这时反受其累，大顺军士兵形藏尽露，阵地前沿无所隐蔽，攻城进展十分不利。相持一个多月，农民军不能得手。同年十月，清军主力攻破太原后，前来增援长治，刘忠势单力薄，被迫撤离长治，转攻阳城，激战11昼夜不能攻克，只好率部转入河南。阳历10月20日，清军平定山西。固山额真叶臣自军中奏报：潞、泽已下，所属十几个州县俱已委员管理。清廷接报大喜。
早在顺治元年（1644）七月十九，清廷即命都察院左佥都御史马国柱为右副都御史，巡抚山西。以工部启心郎马鸣珮为山西布政使司参政，分守冀南道。内院副理事官迟变龙为山西布政使司参政，管理粮储道。吏部启心郎焦安民为山西布政使司参政兼按察使司佥事，管理屯田。组建山西省级行政官署机构及其班子成员。但因当时统一战争还在进行之中，太原城尚未攻克，因而一直到同年八月十九（9月19日），清廷才正式派遣河南、山东、山西的督、抚、道、府等官赴任。该年十一月十四（12月12日），山西巡抚马国柱奏报：清军遇贼于汾州，斩2000余级，获马千余匹，复追至柳林青龙镇、永宁州黄河一带，农民军仓促投河，溺死者无算。又获马500余匹，进至平阳，农民军弃城遁走。至此，山西全境被清军占领，李自成的晋豫防线被彻底击溃。