联络大顺军共同灭明的图谋既未达到，多尔衮等清廷统治者也决不肯放过扩张自身利益的良机。这年三月，清廷决定大举伐明。出师之前，范文程上书摄政诸王，指出明朝灭亡的大势已定，“窃惟成大业以垂休万世者此时，失机会而贻悔将来者亦此时”。“盖以为明劲敌者我国也，抑则流寇也。正如秦失其鹿，楚、汉逐之。虽与明争天下，实与流寇角也”。这就为多尔衮等人用兵提供了总体战略方针。四月初，传来了大顺军攻克北京、明廷覆亡的消息。多尔衮决定趁大顺军立脚未稳，迅速出兵。当时在清都沈阳的朝鲜使者向本国报告说：“顷日九王（指多尔衮）闻中国本坐空虚，数日之内，急聚兵马而行。男丁七十以下，十岁以上，无不从军。成败之判，在此一举。”四月初九日，清摄政睿亲王多尔衮“统领满洲、蒙古兵三之二及汉军恭顺等三王、续顺公兵，声炮起行”。动员兵力之多连清方人士也说“前后兴师，未有如今日之大举”。清廷这次出兵同崇祯年间三次入口大不一样，战略目的已由掠夺财物子女变为进取中原。因此，多尔衮接受范文程、洪承畴的建议，严格约束军纪，规定“有抗拒者必加诛戮，不屠人民，不焚庐舍，不掠财物，……军民秋毫无犯”。进军路线则采纳了洪承畴的意见，准备由蓟州、密云破边墙而入，避免顿兵山海关坚城之下。

四月十五日，清军行至翁后，意外地遇上了吴三桂的使者副将杨珅、游击郭云龙，携带求援书信，内云：“三桂受国厚恩，悯斯民之罹难，拒守边门，欲兴师问罪，以慰人心。奈京东地小，兵力未集，特泣血求助。……王以盖世英雄，值此摧枯拉朽之会，诚难再得之时也。乞念亡国孤臣忠义之言，速选精兵，直入中协、西协；三桂自率所部，合兵以抵都门，灭流寇于宫廷，示大义于中国。则我朝之报北朝岂惟财帛，将裂地以酧，不敢食言。”多尔衮当即决定改变进军路线，直趋山海关。他在回信中说：“伯虽向守辽东，与我为敌，今亦勿因前故尚复怀疑。……今伯若率众来归，必封以故土，晋为藩王，一则国仇得报，一则身家可保，世世子孙长享富贵，如山河之永也。”很明显，吴三桂的信在措词上经过斟酌，以明朝孤臣的名义请求清方合兵共讨农民军，尽管当时明朝廷并不存在，“裂地以酧”也不是他所能决定的，无非是为自己投靠清朝蒙上一层遮羞布而已。多尔衮洞察其心，直截了当地以晋封藩王为诱饵，招降吴三桂。到吴三桂得知李自成亲统大顺军主力迫近山海关，再次派郭云龙催促清军火速来援时，就请求多尔衮“速整虎旅，直入山海”。四月二十日，多尔衮接信知道形势紧迫，为了防止大顺军占领山海关，下令兼程前进。次日，清军以一天二百里的速度急行军于当晚到达距关城十里的地方驻营。这时，大顺军与吴三桂、高第部关、辽兵正在激战之中。

为了明白山海关战役的胜负，分析一下参战各方兵力情况是必要的。大顺军开赴山海关时留下了老弱兵员一万守北京，随李自成、刘宗敏前往平叛的兵马大约为近十万名；吴三桂、高第的关、辽兵合计约为五万；而清军当时的全部兵力为十万，除了摄政郑亲王济尔哈朗率领满、蒙八旗军队三分之一留守沈阳一带外，多尔衮所统满、蒙、汉军队大约为七八万人。自然，在三支军队中清军战斗力最强；吴三桂部是原明朝官军中的精锐；大顺军是自1641年（崇祯十四年）迅速扩展起来的队伍，大部分兵员素质不如清方，但是，他们是一股新兴势力，纪律严明，富于朝气，不像明朝官军那样腐败。由此可见，集结在北京地区的大顺军击破吴三桂、高第部原明朝关、辽兵是绰有余裕的；很可能李自成入京之时调集的兵力也仅满足于此。而介于顺、清之间的吴三桂部则具有举足轻重之势：降顺则李自成的兵力约为来犯之清兵一倍，而且山海关要隘不致拱手让敌，即便在同清军作战中局部失利，大顺政权可征调的增援兵力较清方要大得多；吴三桂叛投清方，双方兵力对比和态势就颠倒过来，清、吴联军在数量上也占了优势。大顺政权在政治、军事上的失策，导致了山海关战役的失败和北京、畿辅、山东等地的易手。