大顺军第一梯队四万多人，在石河西遭遇到了吴三桂布下的第一道防线。
由于吴三桂兵力不够，第一道防线是由原山海关总兵高第大约一万人部队和临时招募的乡勇组成的混合军团，装备和战斗力是比较差的。
吴三桂率领部分关宁铁骑，亲自指挥。前后已经与大顺军连续十三战，打得旗鼓相当。
至此，吴三桂前两个部署的战略目的顺利完成，成功地延缓了大顺军的进军速度。
应该说李自成的部队是很有战斗力的，和明朝斗了十几年，李自成积累了不少经验，特别是他比较懂马性，他的骑兵的战斗力不比关宁铁骑差的太多。
李自成率领第二梯队大军到达后，吴三桂派去的六名士绅代表企图逃跑，结果六名代表有五人被杀，另一人身中三箭逃回。
再一看前方迎接自己的是吴三桂严阵以待的部队，老李同志发现自己上了大当，十分没面子。于是下令全军发起攻击。
李自成分析了山海关的情况，应该说，李自成同学的十几年的仗也没有白打，他的战场经验是十分丰富的，于是他制定了一个方案：主力正面攻击山海关，唐通的部队从一片石迂回到关外，就是吴三桂的后面去，堵住吴三桂的退路，来个瓮中捉鳖。
这个方案如果成功执行，后面就没吴三桂什么事情了。对于李自成来说，吴三桂把自己当做猴在耍，无论如何也咽不下这口气的。
李自成的军队刚刚攻入了北京，士气比较旺盛。对打仗来说，气势是很重要的，所以李自成很有希望一鼓作气攻下山海关。
长期在辽东作战，吴三桂也是有两把刷子的，好勇斗狠，吴三桂是不怕的。
而且吴三桂也咽不下这口气，之前进行了动员大会和宣讲大会，士气也很高涨，两支队伍算是狭路相逢棋逢敌手。
由于双方都是士气高涨，指挥官都不是菜鸟，双方的单兵战斗力相差也不大，于是数量上的优势就显示出来了，尽管进行了精心的布置，经过一天的战斗，甚至关宁铁骑连吃饭的时间都没有，但是外围阵地还是都失陷了。
不过吴三桂的主力部队都还在，没有受到太大损伤，就势撤回了山海关。
大家如果有兴趣研究山海关的防御，就知道为什么山海关号称天下第一关，山海关地势险要处于制高点，由下向上进攻难度大家可以想象一下，反正正常点如果有其他办法都不会去攻击它，
所以满清每次入关抢劫不得不借道，从现在的内蒙古绕个大圈，多跑上千公里的路。
李自成幸亏是从关内进攻山海关，如果是从关外，估计只能望关兴叹了。
经过多年的经营，关下有四座卫城，东西两个分别叫东罗、西罗，南北叫南翼、北翼，和关城主体、长城、敌楼等防御设施互相呼应，形成了一个相当完善的防御体系。吴三桂派兵把守四个卫城。
吴三桂的手下还有支著名的的精锐部队，其中搀杂大量的“彝丁突骑”和“蒙古锐丁”。这是他自从军起就专门培养起来的家丁，这只突击队至始至终发挥了巨大的作用。
吴三桂本人带部分主力和他的那支精锐部队在山海关前结成大阵，居中策应，正面面对大顺军。
李自成面对的就是这么个防御体系。李自成和明军作战了这么多年，越打越大，应该除了明朝政府自己不行以外，《明史》说，“自成善攻，汝才善战”，这个评价还是比较客观的。
接下来的攻防战，双方用尽自己的全部实力，殊死搏斗。
李自成面对山海关关城一带坚固的防御体系，充分发挥自己总兵力占绝对优势的长处，自己率领刘宗敏等人以主力和吴三桂的关宁铁骑正面搏杀，同时猛攻西罗、北翼两城。
这天战斗最激烈的是主战场边上的北翼城，差点被大顺军攻破，李自成之所以重兵攻北翼，是因为这个城在山脚下，比较容易攻破，一旦攻破就可以从侧翼占领山海关。
在这个存亡之际，吴三桂听说北翼危急，亲自率领突击队赶来增援，击退了已经攻进城内的大顺军，又守住了北翼城。
与此同时，大顺军的骑兵乘吴三桂不在，从山海关西北方向突破吴三桂本阵，大批大顺军直扑西罗城下，开始攻城。守城吴军以火炮还击，吴三桂本人已经赶去北翼，所以派出部将赴援，在城下前后夹击大顺军，终于这一面的进攻也被吴三桂的部队击退。
东罗城则是吴军向关外撤退的唯一通路，形势也相当吃紧，“危急劳瘁，倍于两城。”但这里因为离主战场最远，所以吴军凭借炮火和火铳、弓箭等远射武器，虽然守得极其辛苦，但没有出现失守的危险。
唐通那边，当日唐通部猛攻一片石，一片石在关口和长城前都挖有拒马沟，这个沟主要是为了防守满清的骑兵部队的，现在正好也发挥了作用。鉴于这个地方的防御优势，所以一片石这个地方又被称为“京东首关”。
吴三桂占有有利的地理位置进行抵抗，二十一日下午，大顺军有了从北京运来的红夷大炮送到一片石，在猛烈的炮火支援下，唐通依仗兵力优势不断发起强攻，至深夜，一片石终于被大顺军攻破，吴三桂的残余部队沿长城退向山海关。
这一天的战斗，李自成充发发挥自己兵多的优势，所有方向全部是重点进攻，吴三桂兵力太少，顾此失彼。所以如果大顺军能够早过来三天，吴三桂