山海關(guān)戰(zhàn)役中的關(guān)鍵因素之一，是吳三桂與山海關(guān)總兵高第率領(lǐng)的五萬兵馬的戰(zhàn)隊問題。若這五萬兵馬歸順大順，歷史極大概率會改寫，明朝的江山依然是掌控在漢人手里。
吳三桂是遼東中后所人（今遼寧省綏中縣），他的父親吳襄、舅父祖大壽都曾任明朝總兵。
早在在山海關(guān)戰(zhàn)役之前，皇太極就先后三次寫信勸降吳三桂。

第一次勸降

早在1642年（明崇禎十五年、清崇德七年）四月，清軍攻克松山和錦州后，皇太極第一次勸降吳三桂。他致信吳三桂，說他的舅氏祖大樂、祖大壽獲得保全，讓他盡快歸順。
同時，皇太極又命吳三桂的哥哥吳三鳳以及祖可法、張存仁、裴國珍等親屬好友給吳三桂寫信，告知其中的厲害關(guān)系，讓吳三桂盡快降清。

第二次勸降

同年十月，皇太極再次給吳三桂寫信，說他與清皇帝向來無仇，而且他的親戚都已經(jīng)歸順大清，讓他早做打算。

同時，皇太極又命吳三桂舅父祖大壽寫信勸降。信中說感謝大清皇帝仁慈，不僅沒有殺他，反而加官封地。明朝一月丟四城，乃天意。“賢甥當(dāng)世豪杰，豈智不及此耶？再觀大清規(guī)模形勢，將來必成大事?！袈食莵須w，定有分茅裂土之封，功名富貴，不待言也?！保ā赌厦魇贰?，顧誠）

然吳三桂回信并未表態(tài)是否歸順清廷。

第三次勸降

1643年正月，面對吳三桂的猶豫，皇太極第三次寫信勸他“急圖歸順，勉勵功名”。
吳三桂猶豫不決，并沒有接受清廷的招降，因為他認(rèn)為自己還有很大的回旋余地。
1644年三月，吳三桂決定歸順大順。顧誠在《南明史 上》一書里指出吳三桂這么做的原因有四個：
1.明亡時，大批明朝官員都?xì)w附了大順，其中還有不少是吳三桂的同事好友，如唐通、白廣恩等。在他看來，李自成建立的大順政權(quán)是眾望所歸，有統(tǒng)一天下之勢。
2.大順政權(quán)仍然以漢人為主體，吳三桂等軍民更易接受。
3.吳三桂所率領(lǐng)的遼東官兵與清軍一直處于敵對之勢，但是同大順卻沒有什么恩怨。
4.吳三桂的舅父雖然歸順了大清，但是他的父母等直系親屬卻居住在北京，在大順的控制之下。吳三桂若是降清，必然影響他們的命運。曾經(jīng)一起共事的唐通、白廣恩等人已然躋身大順新貴，特別是唐通，兵力遠(yuǎn)遜于吳三桂，投降大順就受封為定西伯。唐通出面勸降，對吳三桂有有極大吸引人。
基于上述四個原因，吳三桂、黎玉田、高第等人決定投靠大順，撤回關(guān)內(nèi)回北京接受李自成的招降。唐通則接管山海關(guān)防務(wù)。

叛變

吳三桂行軍至河北玉田縣時又突然改變了主意，帶領(lǐng)兵馬扭頭直奔山海關(guān)，襲擊鎮(zhèn)守關(guān)門的唐通部隊。兵力僅吳三桂五分之一的唐通很快戰(zhàn)敗，山海關(guān)被吳三桂占領(lǐng)。
顧誠查閱眾多史籍，尋找吳三桂突然叛變的緣由，總結(jié)出了三個：
1.吳三桂聽說自己的父親吳襄在北京被大順拘捕索晌二十萬。
2.吳三桂誤信從北京私逃出來的奴仆謊報吳襄全家被大順抄沒。
3.吳三桂在北京的愛妾陳圓圓被大順?biāo)?。這種說法最為人們所樂道，真實性難以考定。
無論哪種說法，也無論吳三桂叛變與否，他自始至終都是從自身利益來考慮的。
吳三桂奪取山海關(guān)，用行動表明自己與大順決裂，以投靠清廷。
即便到了這一步，吳三桂依然玩弄起手腕，一面“遣人東乞王師”，一面“遣人給賊緣師”。說白了，誰對他有利，他就投靠誰。

李自成得知吳三桂叛變后，做了兩手準(zhǔn)備，一是安撫吳襄，并以吳襄名義勸吳三桂；二是做好武力解決的準(zhǔn)備，出兵平叛。四月十三日，李自成、劉宗敏親自統(tǒng)帥大軍前往山海關(guān)，并帶明朝太子朱慈烺和吳襄等人隨同。希望能以此招降吳三桂，可吳三桂已然叛變投清。

面對復(fù)雜的政治形式，李自成并沒有對當(dāng)時占據(jù)遼東的清廷有清晰的認(rèn)識。
四月初九，清攝政王多爾袞率滿洲、蒙古兵三分之二及漢軍恭順等三王、續(xù)順公兵，按照洪承疇的建議，準(zhǔn)備由薊州、密云破邊墻而入，沿途嚴(yán)格約束軍紀(jì)，不屠人民、不掠財物，不焚燒屋舍。
清軍行至翁后，意外遇上吳三桂使者副將楊坤、游擊郭云龍攜帶求援書信。原來吳三桂在信中以明朝孤臣自居，請求滿清合兵共討李自成率領(lǐng)的農(nóng)民軍，并以“裂地”作為報籌。實際上明朝那時已然覆亡，吳三桂也不能決定“裂地為籌”一事。這只不過是他叛變的借口罷了。
多爾袞明察吳三桂的心思，立即改變進軍路線，直奔山海關(guān)。
李自成帶十萬兵馬于四月十三日從北京出發(fā)，奔赴山海關(guān)平叛，而清兵全部兵力僅十萬，多爾袞就帶了七八人。李自成帶領(lǐng)的大順軍對付吳三桂的五萬兵力是綽綽有余的，但由于吳三桂投靠滿清，導(dǎo)致吳、清在兵力上占優(yōu)勢。
大順軍行至三河縣時遇到吳三桂派來的使者，使者謊稱吳三桂愿意投誠，請求支援。李自成信以為真，派明朝降官密云巡撫王則堯以兵政尚書的身份去山海關(guān)于吳三桂談判。而李自成則放緩行軍速度，原本五天的形成，他們足足走了八天才抵達關(guān)西。到達時才得知王則堯已被拘押。

四月二十一日辰時，大順軍與吳三桂在山海關(guān)激戰(zhàn)。軍隊主力在石河西，同時進攻山海關(guān)的東羅城、西羅城、北翼城。以此防止吳三桂戰(zhàn)敗后引殘部出關(guān)投降清兵。激戰(zhàn)一夜后，吳軍不敵，據(jù)守北翼城的一支吳軍投降大順軍。第二日，吳三桂率領(lǐng)部分兵馬和鄉(xiāng)紳沖出關(guān)門請求清軍立即支援。
駐營在二里處的威遠(yuǎn)臺觀戰(zhàn)的多爾袞經(jīng)過幾天的考察，對吳三桂的處境和降清的誠意已經(jīng)有了深入的了解。他讓吳三桂的士兵以白布系肩為號，答應(yīng)支援吳三桂，同時下令清軍從南水門、北水門、關(guān)中門三路進關(guān)。
清兵進關(guān)后與大順軍交戰(zhàn)。然而鏖戰(zhàn)一夜的大順軍，很快就不敵清軍，李自成下令撤退。退到永平府范家店時，李自成決定處斬吳襄。
回到北京后，李自成又殺了吳三桂家屬34口。
由于吳三桂的叛變，以及李自成的錯誤政治判斷，大順軍在山海關(guān)戰(zhàn)敗，直接改寫了歷史，開啟了清軍入主中原的第一步。