1644年4月发生的山海关战役，是李自成大顺政权由盛而衰的转折点。大顺军不仅未能攻克山海关，反而在清吴联军的合力剿杀下损失惨重，并很快丢失了占据不久的北京。这场失败在李自成离京东征时就已埋下伏笔。
山雨欲来
崇祯十七年春，大顺军东渡黄河，占领山西、河北、北京、山东以及河南部分地区、江苏北部地区，大顺政权至此达到鼎盛。大顺军虽号称百万之众，但兵力分散在各战略要地驻防，最后会集于北京的军队并不多，导致发生吴三桂降而复叛的突发事件后，来不及集结更多兵力。
东征北京前，大顺军白旺部七万余人留守湖北荆襄地区，绵侯袁宗第率领的右营则被明军左良玉等部牵制于湖广，均未能参加即将到来的大战。
其中，袁宗第部在山海关战役后北上驰援，但为时已晚。袁宗第统率的右营是大顺军五大主力之一，白旺部是守御大顺政权老根据地“襄京”的精兵，战斗力和忠诚度均较高。
分两路东征北京的大顺军也在攻城略地的过程中不断分散：
南线的刘芳亮统率左营攻克怀庆、长治、彰德府、大名府、广平、邢台、河间、保定等地后，相继留下孙明翼、刘忠、刘汝魁、翟凤耆、张洪等将领分兵把守；
北线李自成、刘宗敏统率的主力先后留张天琳守大同、马重禧守真定，攻克北京后又派遣赵应元、董学礼各率兵三千分赴山东、江淮，兵力进一步分散。
史载，李自成“破京师，兵渐分、粮不足、既守城、复防边，支吾不给”（《怀陵流寇始终录》卷18）。大顺军粮草供给出现困难，对老营便只能采取限量供应的措施：“自成后给老本米止数斛，马豆日数升，众颇怨之”（《甲申传信录》）。嫡系人马的缺位，使李自成在即将决定大顺政权命运的山海关战役中不得不倚靠前明降兵降将，粮饷不足更是雪上加霜。
起先吴三桂接受大顺政权招抚后，被李自成派往山海关接替防务的是在居庸关归降的前明总兵唐通。李自成未派嫡系大将出镇山海关，一方面是对吴三桂及关外清军缺乏警惕，另一方面则是兵力分散已不敷分派，试图收缩嫡系部队形成拳头。
然而唐通及原部八千兵马在遭遇吴三桂叛变突袭后被一击即溃，继而支援唐通的前明将白广恩部也被击败。此时李自成已意识到局势严重性，但他已来不及集结更多兵马，刘宗敏又拒绝率部出征，唯一方法是亲率现有嫡系精锐，赶在关外清军异动前消灭吴三桂，重新夺控山海关。
山海败绩
驻北京的大顺军嫡系主要由李自成统率的主力及李过所率的后营、刘芳亮所率的左营构成。四月十三日，李自成与刘宗敏、李过等率“步骑五万，声言十万”（《平寇志》）东征山海关。这应是当时大顺军在京师地区所可调遣的全部机动兵力。原可约五日完成的进军路途走了八天，大顺军尚未进抵山海关，与东征北京时的高歌猛进判若云泥，也从侧面说明李自成以现有兵力对敌无必克信心。
大顺军主力虽未与吴三桂军有直接较量，但崇祯曾多次调遣关宁军至关内镇压起义军。关宁军的战力较内地明军为强，曾屡次给起义军予重创。尽管关宁军在大凌河城及锦州之战中损失惨重，但其中硕果仅存的吴三桂军仍不可轻视。
李自成小心谨慎，仍不放弃以政治手段试图再次招降吴三桂。在政治手段彻底无效后，李自成放弃幻想全力一搏，但关外清军驰援，使大顺军战吴三桂军未克，又面临“胡兵似倍于流贼”（《李朝实录》）的逆境，奋战下终告失利。
清军参战在战术上达成了突然性，但在战略上却不足以令大顺军高层惊慌失措而战败。清军参战前，李自成对吴三桂勾引清军来援已有所察觉：大顺军唐通部于清军主力入关前一日，在距山海关约二十里的一片石被清军击败；四月二十二日晨，吴三桂见难以独力支撑，冲过包围关城的大顺军阵地向多尔衮求援。
即使不算入侦骑的查探，上述两个明显的讯息已足以为李自成提供足够警示，令其不可能对清军的动向无动于衷。但大顺军的兵力仅稍多于吴军，已无足够兵力作为预备队，面对从南水门、北关门、关中门倾泻而来的数万清军铁骑时，李自成并无有效的应对之策。
吴三桂画像
清军的突然参战，使已与吴三桂军混战良久的大顺军腹背受敌，难以脱离战场。清军骑兵趁东北风大作，快速迂回突至大顺军左侧背发起攻击。两面夹击下，久战兵疲的大顺军支撑不住而溃败，部分将士被清军及吴军分割围歼：“一食之顷，战场空虚，积尸相枕，弥漫大野，骑贼之奔北者追逐二十里至城东海口，尽为斩杀之，投水溺死者亦不知其几矣”（《沈馆录》卷7）。
为夸耀武功，《清实录》等清方档案将大顺军投入山海关战役的兵力夸大为二十万人，实际上大顺军的兵力远少于此数，清军中观战的朝鲜人李麳认为大顺军兵力仅达清军一半，部分史籍记载大顺军仅六万人，且战斗中被杀者不少是随军征发、输送粮草等后勤支援的民夫。但此役是大顺军东征主力的全力一搏，故造成的损失相当惨痛：“步卒且尽，伤骑兵过半，所选骁锋战将莫不尽伤”（《甲申传信录》卷8）、“自成回京，面目尘垢，从骑七千，步兵为尽”（《国榷》卷101）。
弃京西撤
有观点将大顺北京守军未及时支援东征部队列为山海关战败原因之一，但从战后李自成放弃坚守北京的举动分析，留守兵力无论从数量还是质量上都远不如东征山海的人马，而且在城中明朝残余势力蠢蠢欲动的不稳定态势下，根本分派不出足以扭转胜负天平的援军。
山海关
大顺军投入山海关战役的兵力虽低于吴三桂军及清军的总和，却是崇祯十三年后李自成重建的军队中坚。这支核心力量的失血，不仅使李自成没有足够的骨干组织起北京的防御，也使大顺军在后撤途中与清军屡战失利。大顺军从山海关败退至永平时，李自成试图“重整旗鼓，但许多部下拒不听命，沿着通往北京的路一直向西撤退”（《洪业——清朝开国史》）。撤回北京后，李自成曾试图坚守待援，并采取拆除城外羊马墙及护城河旁房屋等备战措施，但不足一日后便决定弃城西撤。
这种突然的反复映射出包括李自成在内的大顺军高层已丧失凭借现有兵力守御北京的信心，而其根源在于军中精锐已遭重创。
此后，李自成再也无力在畿辅地区遏止清吴联军，五月初八在庆都城东的阻击战中，大顺军再次战败，蕲侯谷英阵亡，大将左光先负伤；继而，大顺军又在真定被清军击败，被迫由井陉退入山西。
山海关战役中，嫡系精锐和野战兵力的损失，使李自成面临来自内外部的双重压力：外部有清吴联军的追击，和前明官绅发动的叛乱；内部有因惨败带来的军心瓦解，及前明将明军的蠢动。之后李自成仓促西撤，虽在山西布置了防御力量，但未留驻嫡系大将统一指挥。著名历史学家顾诚评价李自成“部署之不当又一次证明了他缺乏战略眼光”，但当时李自成所面临的环境已较为险恶，只能做出与其实力相应的对策。
尽管大顺失败后档案材料毁灭殆尽，后人却可从普遍的军事规律来推断李自成急速西撤的诱因。
覆败开端
大顺军渡河东征北京时，除榆林、太原、宁武、保定等地的抵抗较为激烈外，明朝文武官绅无不望风而降。明大同总兵姜瓖、宣府总兵王承胤、阳和兵备道于重华、定西伯唐通、襄城伯李国祯等或先期递送降表，或派心腹纳款，或兵至即降。大批明将明军的倒戈投诚，壮大了大顺军的兵力，此类政治投机固然减少了李自成攻取北京的阻力，却也埋下了隐患。
出于安定降将人心和争取支持等考虑，李自成并未打散降兵的组织和建制，令姜瓖、唐通等继续统领旧部。如此一来大部分前明军在大顺军中保持了相对独立性，难以被消化吸收，姜瓖等降将对旧部仍保持着控制及影响。在大顺政权的发展顺风顺水时，前明军仍能出于利益需要保持对新政权的忠诚，一旦战事不利，这种建立不久的依附关系便显得极其脆弱。
随山海关战役中嫡系的惨重牺牲，在大顺政权新近控制的华北地区，大顺军中的前明军所占比例陡然升高。随之而来的是包括降将在内的前明官绅在大顺和清间首鼠两端，大顺军及地方政权内部不稳定因素加剧。
而战事的迫近，使李自成无时间也无能力完成稳定军队的效果。军队及地方的失控苗头在大顺军撤离北京前已开始显现，而大顺军撤离北京后，前明官绅更是如雨后春笋般掀起叛乱。大顺政权任命的包括节度使、防御使在内的大批文武官吏相继遇害，地方政权遭受严重破坏，加速了李自成西撤。这种内部动荡不安的局面，直至大顺政权覆亡也未能逆转。
