李自成对清军情况不明，行动迟缓，四月二十一日才抵达山海关下，在石河西岸与吴三桂部成对峙之势。同日，李自成的大顺军与吴三桂于一片石、西罗城进行恶战，甫开战吴军小胜于西罗城，接着李自成军猛攻东罗、北翼二城。
当晚，清军进至山海关外15里处一线集结。山海关北依角山，南傍渤海， 城高墙坚， 外筑罗城、翼城互为犄角，易守难攻。吴三桂以主力列阵于西罗城石河以西一线，阻止大顺军攻关。双方激战于西罗城附近，守军为摆脱困境，诈降诱大顺军数千人抵近城垣，在城上突发火炮。大顺军死伤甚众，被迫后撤。在北翼城，大顺军利用居高临下地形，猛攻城垣，激战至翌日黎明，迫守军一部投降。但因其他各城未下，大顺军未能进据罗城。二十一日夜，唐通部在一片石被清军击败，余众退入关内。经一日激战，多尔衮已知大顺军虚实，遂采用以逸待劳、后发制人的慎战之策，欲待大顺军与吴三桂部连战疲惫时，突出奇兵，一举取胜。
1644年阴历四月二十三日辰时（上午8点）以前，吴三桂军渐难支撑，据守北翼城的一支吴三桂军向大顺军投降，多尔衮在欢喜岭的威远台上观战，下令清军从南水门、北水门、关中门三路进关。
