李自成进入北京后，意识到驻兵山海关的吴三桂之向背对局势的发展至关重要，而解决山海关问题，只有两种方案，一是武力夺取，彻底消灭吴部；二是招抚，避免流血战斗。以农民军入京后将领无心再战、士兵沉溺享受来看，招抚为上策。于是李自成派人马劝降吴三桂，携犒银四万两、黄金千两，另有敕书一通，封吴三桂为侯。此时，总管京师兵马的吴三桂的父亲吴襄已在北京被捕，李自成令他给儿子写信劝降。吴三桂无奈，决定正式接待来使，投降农民军。
但是当吴三桂准备率部进京谒见李自成，行至永平府(府治今河北省卢龙县)西沙河驿时，却突然调转马头，再次返回山海关。对于吴三桂降李又中途返回，一向有两种说法：一种认为，大顺农民军人京后，实行追赃助饷的政策，拷掠了吴三桂的父亲吴襄，导致吴三桂反悔；另一种说法认为：吴三桂因其爱妾陈圆圆为大顺军将领刘宗敏掠去而怒改初衷，即人们通常所说的“冲冠一怒为红颜”。
陈圆圆，明末苏州名妓，传言她“声甲于天下之声，色甲于天下之色”。清人笔记记载，吴三桂少年时就常去戏班为陈圆圆捧场，待官至辽东总兵后，吴三桂派人赍重金去赎买陈圆圆，不料却已被当朝天子宠妃的父亲田畹买走。崇祯的宠妃田氏为给崇祯解忧，谋于其父田畹，田畹遂将陈圆圆献给崇祯。陈圆圆扫眉而入，然而崇祯此时正值忧患关头，无心沉于声色，不久将陈圆圆遣返田府。当李自成的农民军步步逼近京城之时，田畹急于保住自身富贵，陈圆圆给他出谋道：“现在天下将要大乱而大人却无所凭依，一旦有变，祸在不测。吴三桂不久就要出关领兵，大人何不缔交于吴将军，以便有所依靠？”田畹苦无他策，只得亲自到吴府邀请吴三桂赴宴。宴席上，吴三桂毫不掩饰地说道：“若能把圆圆赠予我，我将戮力破敌，公公不会有什么危险。”面对兵权在握的吴三桂，田畹只有答应。吴三桂欲带陈圆圆去山海关，但因父亲吴襄力阻而小厩。李自成率农民军入京后，大将刘宗敏占据田畹府，索要陈圆圆，知在吴襄府上，便抓了吴襄严刑拷问，吴襄不交，刘宗敏怒洗吴府，搜出陈圆圆据为己有。
吴三桂重占山海关后，心中明白凭自己的军事实力根本不足以同农民军抗衡，为逃避降清负君之罪，并借他人之力达到复仇目的，吴三桂修书予多尔衮，意向清军“借兵”。多尔衮得书后虽惊喜交集，却不露声色，许诺援兵，同时提出条件：吴三桂率兵投降清朝。
当农民军迫近山海关时，吴三桂再次催促清军火速来援。多尔衮接信后，知道形势紧迫，为了防止农民军占领山海关，下令清军日夜兼程前进。当清军终于到达距关城10里的地方时，吴三桂已与农民军在激战中。至四月初，据守山海关北翼的吴军向农民军投降，吴三桂的军队已呈崩溃之势，而此时清军却一直止步不前。吴三桂多次派人前去敦请进兵，但多尔衮就是按兵不动，他要迫使吴三桂亲自出马，将“借兵助剿”改为“投降清朝”。吴三桂只有点齐将官精骑，出关突围，一口气驰至欢喜岭。1644年四月二十七日，双方达成协定，吴三桂率将返回山海关，按约定率5万余人出战，同时下令开城迎兵。山海关的东大门洞开，清军汹涌而人。而李自成对这一切都浑然不知。
时至中午，山海关战场在大风中飞沙走石，当吴军与农民军酣战之时，进入关城的多尔衮下令突击，清军如弦上之箭锐不可当。李自成立马于高岗之上，见一白旗军冲破农民军阵势，正惊异之际，一僧人跪在他的马前，说：“为白旗的骑兵不是关宁兵(指吴军)，必是满洲兵，大王赶快回避。”李自成一言不发，策马下岗西走，农民军也在一片“满兵来矣”的惊呼声中被冲过来的清军压向海边，以致“死尸相枕”。
李自成回北京后，在皇宫大殿里举行即位典礼，接受官员的朝见。第二天一清早就率领起义军，离开北京，向西安撤退。李自成离开北京的第三天，多尔衮带领清兵，耀武扬威地开进北京城。公元1644年十月，多尔衮把顺治帝从沈阳接到北京，把北京作为清朝国都。打那时候起，清王朝就开始在中国建立了它的统治。
多尔衮组织人马隆重地迎接清世祖顺治帝人关，在北京建立了大清朝廷，准备全盘控制整个江山。为了表彰吴三桂开关请兵之功，清朝廷册封他为平西王，并赏银万两，吴三桂竟然也不加思索地接受了下来。这样一来，当初请兵相助的初衷完全变了质，不折不扣地成为开关延敌的民族叛徒。
崇祯帝自缢殉国后，福王朱由崧在南京重新组建了南明新朝廷。新朝廷深知吴三桂手握重兵，举足轻重，因而遣特使前往绛州，欲封吴三桂为蓟国公，并从海路运米30万担、银5万两犒劳吴军。不料吴三桂因已受封于清廷，不肯再接受南明皇朝的这一套，他已经决定彻底归附于满清手下了。后来吴二桂被封为平西王，世镇云南，兼辖贵州，于是骄横奢侈，企图吴家子孙永为藩工。康熙帝即位后，准备“撤藩”吴三桂反叛，这就是“二藩之乱”。1681年，清军攻入昆明，吴三桂的图谋失败。