当清军到达山海关前时，已听到“关上炮声，夜深不止”。从远远传来的隆隆炮声及震天的喊杀声，说明吴三桂部已与大顺军交上了火。经验丰富的多尔衮也料到大顺军有可能在清军之前赶到，所以吩咐手下一定要打起十二分的精神，提高警惕，以防遭到大顺军的伏击。
山海关下即将开始一场血战，让我们先来了解一下它。
山海关是万里长城东段的起点，居诸关隘之首，所以有“天下第一雄关”之美誉。此城与长城相连，浑然一体，极其坚固，易守难攻，可谓是一夫当关，万夫莫开。
山海关的主体建筑关城，呈四方形，周长八里一百三十七步四尺，环以护城河，宽五丈，深二丈五尺。关城东西南北各设一座关门：东门名曰“镇东”、西门名曰“迎恩”、南门称作“望洋”、北门号“威远”。东西两门外，有两座小城与关城紧密相连，称罗城。它的作用是加强关门的防御能力。在东门外的，叫东罗城，西门外的，则叫西罗城。东罗城建于万历十二年（1584年），其城墙高二丈三尺四寸，周长五百四十二丈四尺，东、南、北三面各设一个门，门外有护城河环绕，再有水门两个、角楼两个、敌楼七个。在与东罗城相交接的城墙上，还有两座楼，用以屯兵设防。而西罗城在关城内侧。
在关城南北两侧两里处，长城的内侧，南水关、北水关附近，各有一座小城，称翼城。南侧的，叫南翼城，北侧的，则叫北翼城。城墙高二丈余，周长三百七十七丈四尺九寸。设南北两门，南北翼城为屯兵之用。它从南北两个方向拱卫关城。
山海关，依山临海，又与长城连为一体，城外设城，门外设门，环环相扣，设计得极为巧妙，形成一整套完备的防卫体系。任何人要攻破此城，都必须付出极大的代价。就拿清军来说，无论是努尔哈赤还是皇太极，生前没有一天不在惦记着它。但迫于此雄关的威严雄壮，一向骁勇善战，凶悍无比的八旗将士，从不敢奢望能拿下此城，每次进军关内，都不得不绕道内蒙古，从长城薄弱之处——龙井关等地进入。这帮留着辫子的八旗兵，望关哀叹已二十年有余。大顺军的战斗力未必强过清军，但如今李自成却带着他的将，带着他的兵来了。他能成功吗？李自成自己不知道，吴三桂不知道，多尔衮也不知道。
当吴三桂确认李自成已率大军开赴山海关时，他一方面派人出关向清廷请兵，一方面为了拖延时间，又派高选、李友松、刘台山、刘泰临、谭邃环、董镇庵六人为谈判代表，前往李自成军营诈降。这六人行至三河（河北三河县）遇到了李自成的大军，拜见李自成后称：吴三桂已愿归降，望闯王不要再进攻。李自成是又喜又疑，表面应允，暗地里做好布置，带着这六人一路浩浩荡荡往山海关方向开进。李自成虽然还是保持着警惕，但这六人的诈降行为还是起到了一定的迷惑作用，大顺军的前进速度明显放慢下来。军中无论将领还是士卒麻痹轻敌的思想一下子都抬了头，行军时松松垮垮，晚上宿营时吃酒耍钱者也屡屡可见。
走了九天，四月二十一日李自成终于率军到达山海关，这时大顺军才傻了眼，等待他们的可不是什么吴三桂派出的和谈代表，而是已做好充分守城准备，准备拼死决战的吴三桂部。而此时清军已只距山海关十五里。大顺军此时从上至下无论是战备上，还是心理上，都没有做好开打的准备。诈降的高选等六人也明白现在是逃命的时候了，不过他们的运气实在是不太好，虽然此时大顺军既无战备也无斗志，但对他们的看守却一直都没放松，最后除一人身中三箭，侥幸逃脱外，其余人等皆被诛杀。
吴三桂事先已与多尔衮约定，派出精锐兵马出关城，在山海关以西，即石河西岸，占据战略要地做好战斗准备。而在龙王庙至谭家颇罗一带，又征召当地乡民三万余人，以作为预备队使用。同时考虑到关城兵少，粮饷不济，又与当地士绅联合，组成地方武装，其中的成员甚至有不少知识分子——生员。这些人共助饷白银七八五余二，战马一二余匹。
李自成到达山海关后，也许是心存侥幸，也许是为了显示天恩浩荡，曾派使者最后一次通令吴三桂投降，遭到吴三桂严词拒绝。后李自成迅即部署兵力，一在石河西，以主力作正面进攻，一派唐通率骑兵迅速从九门口出关，绕到关外，至一片石候命，若吴三桂从此处东逃，可与关内一侧的大顺军夹击之。
这是场极其残酷的战斗。
战斗首先在石河西（今山海关区燕塞湖一带）打响。
双方拼死恶战，连杀数余阵后，大顺军又发动突袭，冲入吴三桂部将营内，其余诸将急率兵解救，又将大顺军击退。配合吴部作战的乡勇也表现得极为英勇，向大顺军发起一次又一次的冲锋，生员谭有养、刘以祯更是率部冲入大顺军阵中，在杀伤大量敌军后战死。
战斗从早晨开始，一直打到中午，此时吴三桂部及乡勇渐渐有些抵挡不住，西北防线首先被大顺军突破。数名大顺军骑兵杀至西罗城北侧，正准备登城时，此处的守将命部下打白旗诈降，暗中命自己的副将率部从北坡冲下，偷袭大顺军，同时城上守军利用手边所能利用的一切物件，向城下抛击，大顺军伤亡惨重，被迫撤退。
在与吴三桂部大战石河西时，李自成又指挥一部分兵马攻打北翼城。此城逼山受敌，大顺军欲集中兵力直取，打开一缺口，占领山海关。大顺军日夜狠攻，此城守将山海关副总兵冷允登亲临城头指挥部下拼死抵抗。大顺军屡次被击退，又屡次重整战斗队形发起进攻。至次日晨，大顺军的攻势不但未有减退，反而更为猛烈，甚至有部分士卒已杀上城头。在此生死存亡之际，救援兵马及时赶到，攻城的大顺军腹背受敌，大部分被吴部兵马歼灭。此次战斗中，当地乡绅马维熙、刘克礼、吕鸣章 等人率乡勇协助守城，发挥了重要作用。
吴三桂部在极为不利的情况下，承受住了大顺军一波又一波的攻击。激战一整天，虽自身伤亡也极大，但好歹是保住了山海关。大顺军以往在与明军的战斗中可谓所向披靡，交战中明军部队往往一触即溃。但吴三桂的兵马显然与他们以前交过手的明军完全不一样，此时无论是李自成还是普通士卒都明白，拿下山海关将是一场与死神共舞的险恶之旅。李自成再一次深深为吴三桂家人所受的遭遇而感到后悔不已。
吴三桂利用暂时击退大顺军的空隙，将主力撤回城内，利用自己火器上的优势，对大顺军展开炮击。大顺军此次攻城也带来了火炮，虽数量多于吴三桂部，但射手素质明显逊于对方。双方炮击不止，爆炸声此起彼伏，照亮整个夜空。
当吴三桂与大顺军激战的时候，清军也开始了行动。多尔衮得报农民军占领一片石后，当即命令诸王各率精兵向大顺军发起攻击。图赖率领的前锋营与唐通的骑兵部队相遇，唐通部不敌，被一举击溃。
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