李自成在一片石与清军大战的过程可以追溯到崇祯十七年（1644年）阴历四月十三日。当时，刚刚攻陷北京约一个月的李自成、刘宗敏亲自统率大军前往山海关。李自成另派明降将唐通率兵两万从山海关北一片石出长城，以夹击吴三桂。随行的有明朝太子朱慈烺和吴三桂父亲吴襄等人，而李自成本人则率主力布阵于石河（今秦皇岛燕塞湖水库）。

清兵自四月初九出发，四月二十日抵达连山（今葫芦岛市连山区）。吴三桂一再催兵，清兵知李自成军迫近山海关，日夜急行，一日夜疾行二百余里，共行军十三日。四月二十一日，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。大顺军赴山海关的兵马约二十万，而吴三桂与唐通的关、辽兵约为五万。另一方面，多尔衮所统满八旗、蒙八旗、汉八旗军队大约为七八万人，其中以多尔衮领的满洲铁骑最强，兵马都披着甲胄，非常坚硬，百步之外无法洞穿。阴历四月二十二日清晨，清军进至离山海关城仅二里。吴三桂率轻骑寥寥数员、漏夜飞奔至清军营垒，跪降于多尔衮。多尔衮当即“赐坐赐茶，面谕关门为第一功”，吴表示：“倘若清军不愿助山海关明军，我也不愿返回山海关督战，李自成大军必在攻陷山海关后，一鼓作气攻向清军！”云云；多尔衮、孝庄皇后、范文程、洪承畴于大帐议论片刻后，接受吴三桂跪求派出清军助战。多尔衮令吴三桂按满洲习俗剃头，许诺将皇太极女建宁公主嫁给吴子吴应熊。

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。清军在辰时进山海关以后，见大顺军从北山至海边排列成一字长蛇阵，多尔衮即令清军沿近海处鳞次布列，吴三桂军排列于清军的右边。

李自成先向敌方右翼的吴三桂的军队进攻，战斗打得非常激烈。打了一阵子，李自成的队伍已经伤亡了数千人，仍在不断地进攻。突然一阵风吹来，飞沙走石，对面不能识别敌人。待风一停止，清军万马齐出，万箭齐发，直冲李自成中军。李自成登高望见这些如狼似虎的清军杀过来，他从来就没有见过这样凶猛的军队，胆气尽失，吓得赶紧掉头先逃跑了。

李自成的部队迅速溃败，清军无不以一当十，以一当百，追杀四十里，李自成的部队死伤无数。李自成逃回北京后，杀掉了吴三桂的父亲吴襄。然后坐上龙椅称帝，过一把瘾，接着放火焚烧紫禁城，带着在京城搜刮来的财物急急逃向西安了。