山海关之战一直从上午打到下午，双方都伤亡惨重，吴三桂有一万关宁铁骑，和四万山海关守军，一共五万人。李自成有二十万大军，双方都是精锐士兵，守城主要靠那四万山海关守军，一万关宁铁骑是不会上城墙守城的，因为骑兵主要善于在城外野战，而且这些关宁铁骑是吴三桂最精锐的力量，吴三桂打算万一援军不来，可以带着这一万骑兵杀出重围，保住性命。所以，这关键性力量，吴三桂是不会投入到守城中的，那么守城的士兵就只有四万人，虽然山海关城高墙厚但还是死伤二万人，而李自成死伤五万人，双方都精疲力尽，但李自成还有十五万大军可用，而且这里面还有五万没有参加过攻城的生力军，李自成有把握在天黑之前拿下山海关。
吴三桂急得成了热锅上的蚂蚁，看着跟随自己多年的士兵一个个战死，他心中在滴血，如果都拼光了，也就只有突围了，不知道能否在李自成大军中杀出去，这时听到有士兵道：“援军来了，援军来了。”吴三桂冲上城墙一看，黑压压大概三万骑兵，正杀向山海关，后面还跟着数不清的步兵，吴三桂大喜。王明接到吴三桂的求救信之后只感觉李天应真是料事如神，原来在王进北伐出发的那天李天应就对他说道：“我把全部的骑兵都给你了，你占领山东以后，按兵不动，静观其变，我料定李自成打入京师后必然与吴三桂交恶，他们一定会在山海关决一死战，吴三桂必然求救于你，到时你待他们打得精疲力尽时，再从后侧用骑兵突击李自成，用步兵挡住刘宗敏的大军，不让其过来增援李自成，则大事定矣。”
李自成见后方出现数万骑兵，大惊，问周边人道：“吴三桂怎会有援兵？”众人皆不知，他立刻命令中军列阵阻挡敌军，并且令刘宗敏大军分一半过来支援。其实李自成在野战之中还是很有一套的，他命令步兵站成三排，俗称三堵墙，如果前排士兵逃跑，后排士兵杀之。如果能阻挡住敌军就派骑兵冲杀，弓箭手射击。如果不能阻挡，被敌军冲破，则假装佯败，待敌军追击时命骑兵从侧面冲杀，然后下令大军停止败退，调转身去杀敌，以前的明军往往被杀得打败。但是今天李自成没有带骑兵来，因为他原本以为只要攻打山海关，无需骑兵，不想此时大为后悔。这种打法有一个弱点，需要统帅对战场有比较好的控制力，否则佯败就会变成真正的大溃败。此时王明的骑兵已经突破李自成的步兵，李自成下令退军，他想等刘宗敏的军队来了再一起合围。王明骑兵在后面追杀，两条腿的怎么跑的过四条腿？而且李自成的士兵在前面跑，等于把后背留给了敌军，这种情况下王明骑兵如同砍西瓜一样轻松杀着敌军，后面的骑兵同时向李自成士兵射箭，一时间跑得慢的农民军一片一片死去，中间的军队看到后面军队的下场，跑得更快了，只恨爹妈少给自己生了条腿，哪还敢回去阻挡敌军。李自成跑着估计着差不多了，下令大军回头杀敌，前面士兵纷纷调转枪头，但是中间的士兵却根本不敢回去，还是继续往前跑，于是和前面掉头的军队撞在一起，相互践踏，死伤无数。李自成无论怎么下令都无济于事，此时兵找不到将，将找不到兵，一片大乱，而刘宗敏带着五万大军过来支援，却被王明五万步兵挡住，叫苦不迭。
吴三桂见李自成已经败逃，于是亲自率一万关宁铁骑，出城杀向刘宗敏后方，此时刘宗敏是雪上加霜，前有五万敌军，后有关宁铁骑，在巨大的伤亡面前刘宗敏大军也崩溃了，四散奔逃，刘宗敏也阻止不了。李自成这边由假装佯败变成了真正的大溃败，漫山遍野都是李自成的败兵，许多士兵跑不动了就放下武器，跪在地上投降。追杀一直持续到太阳落山，十几里路全是农民军的尸体，血流成河。战后清点战场，共杀敌十万余人，俘虏近八万，失踪一万余人。可以说李自成已经全军覆没。山海关守军伤亡步兵二万五千人，骑兵三千余人，王明大军伤亡骑兵五千余人，步兵二万人左右。王明拿出李天应的密令道：“封吴三桂为师长，统领一万山海关军队，随王明大军继续追杀李自成。”现在吴三桂有一万步兵，七千骑兵，也就是说必须放弃一万余士兵。此时吴三桂只能领命，山海关的防务由王明另外派人接管，这等于是既削了吴三桂部分兵力，又占了他的老巢。不过此时人在屋檐下，不得不低头。吴三桂也只能遵从。
