吴三桂听到这个消息，气得肺都要炸了。他本来就对李自成心存疑虑，现在李自成不仅不尊重他，还欺负他的家人，这让他彻底爆发了。他说：“大丈夫不能保一女子，何面目见人耶！”（《恸余杂记》）于是，吴三桂立刻下令，率军掉头返回山海关，拒绝投降李自成。不仅如此，他还派人快马加鞭去联系后金（当时已经改国号为清）的摄政王多尔衮，请求多尔衮出兵帮助自己，一起攻打大顺军。
多尔衮早就想入主中原了，接到吴三桂的请求后，喜出望外，立刻率领十几万清军，日夜兼程向山海关进发。就这样，原本是明朝内部的农民起义，因为陈圆圆的一句话（虽然正史中陈圆圆的作用被后世文学放大，但吴三桂家族被打压是事实），变成了清军入关的导火索，李自成的命运也从这里开始急转直下。
李自成得知吴三桂拒绝投降，还跟后金勾结，气得火冒三丈。他觉得吴三桂就是个“白眼狼”——自己好心招降他，给他高官厚禄，他却反过来跟自己作对。李自成当时刚进北京，正是志得意满的时候，觉得自己有几十万大军，吴三桂只有几万兵力，根本不是自己的对手。于是，他决定亲自率领大军，去山海关教训一下吴三桂，让他知道自己的厉害。
公元1644年四月十三日，李自成率领十万大顺军，从北京出发，浩浩荡荡地向山海关进军。出发前，他还把吴三桂的父亲吴襄带在身边，想在阵前劝降吴三桂。可他没想到，这一去，不仅没能教训吴三桂，反而把自己的家底都赔光了。
四月二十一日，大顺军抵达山海关，开始攻打吴三桂的军队。吴三桂的军队虽然精锐，但寡不敌众，很快就被逼到了绝境。吴三桂一边率军拼死抵抗，一边派人去催促多尔衮尽快出兵。可多尔衮却按兵不动，他想等大顺军和吴三桂的军队打得两败俱伤后，再坐收渔翁之利。
吴三桂没办法，只能继续硬撑。大顺军的攻势越来越猛，山海关的城墙都被攻破了好几个缺口，吴三桂的士兵伤亡惨重。就在这时候，多尔衮看到时机成熟了，才下令清军出击。清军的骑兵非常厉害，个个能征善战，他们穿着八旗铠甲，拿着马刀，从侧面突然发起了进攻。
大顺军根本没料到清军会来，一下子就乱了阵脚。本来大顺军的士兵很多都是临时招募的农民，没经过正规训练，之前打明军还能勉强应付，现在遇到战斗力更强的清军，根本不是对手。清军的骑兵像砍瓜切菜一样，把大顺军的士兵杀得落花流水。李自成在阵前看到清军来了，也慌了神——他之前根本没跟清军打过仗，不知道清军这么能打。
战斗从早上一直打到晚上，大顺军伤亡惨重，尸体堆得像小山一样，山海关的护城河都被鲜血染红了。李自成见势不妙，只能率领残兵败将，仓皇逃离山海关。在逃跑的路上，他还不忘把吴三桂的父亲吴襄杀了，可这已经没什么用了。
山海关之战，是李自成命运的转折点。经此一战，大顺军的主力被消灭，李自成再也没有能力跟清军抗衡了。而且，山海关之战后，天下的形势也发生了变化——清军开始入关，逐鹿中原，而李自成的大顺政权，则陷入了岌岌可危的境地。
李自成率领残兵败将逃回北京后，知道北京已经守不住了。四月二十九日，李自成在紫禁城武英殿匆匆举行了登基仪式，算是正式当了一天皇帝。登基仪式非常简陋，没有百官朝贺，没有礼乐演奏，只有几个亲信站在旁边，显得格外冷清。李自成穿着龙袍，坐在龙椅上，心里五味杂陈——他费了那么大的劲，才打进北京，可还没坐稳皇帝的宝座，就要逃跑了。
第二天，李自成就率领大顺军，撤出了北京，向西安方向逃跑。在逃跑的路上，大顺军再也没有了之前的纪律，士兵们开始烧杀抢掠，把北京到西安的路上搞得鸡犬不宁。老百姓见大顺军变成了这样，也不再支持他们了，之前传唱的“闯王来了不纳粮”的歌谣，也变成了“闯王来了要遭殃”。
清军则在后面紧追不舍，多尔衮派吴三桂和阿济格率领大军，一路追击李自成。大顺军接连战败，从北京逃到保定，再逃到太原，又逃到西安，士气越来越低落。很多士兵觉得跟着李自成没有前途，纷纷逃跑或投降清军。
公元1644年六月，李自成终于逃回了西安。西安是大顺政权的“西京”，也是李自成的根据地，他本以为回到西安后，能喘口气，重新组织力量，跟清军抗衡。可他没想到，西安的形势也很糟糕。
首先，粮食不够。大顺军有十几万残兵败将，每天都要吃大量的粮食，可西安的粮仓早就被李自成之前北伐的时候掏空了，现在根本没有足够的粮食供应军队。其次，人心涣散。很多将领见李自成接连战败，对他失去了信心，有的甚至暗中跟清军联系，准备投降。最后，清军很快就追来了。同年十二月，清军将领多铎率领大军，攻克了潼关——潼关是西安的东大门，潼关一破，西安就暴露在清军的兵锋之下。
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