山海關戰(zhàn)役中的關鍵因素之一，是吳三桂與山海關總兵高第率領的五萬兵馬的戰(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。“賢甥當世豪杰，豈智不及此耶？再觀大清規(guī)模形勢，將來必成大事。……若率城來歸，定有分茅裂土之封，功名富貴，不待言也。……”（《南明史》，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，大批明朝官員都歸附了大順，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是眾望所歸，有統(tǒng)一天下之勢。
2.大順政權仍然以漢人為主體，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，撤回關內回北京接受李自成的招降。唐通則接管山海關防務。

叛變

吳三桂行軍至河北玉田縣時又突然改變了主意，帶領兵馬扭頭直奔山海關，襲擊鎮(zhèn)守關門的唐通部隊。兵力僅吳三桂五分之一的唐通很快戰(zhàn)敗，山海關被吳三桂占領。
顧誠查閱眾多史籍，尋找吳三桂突然叛變的緣由，總結出了三個：
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所掠。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，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，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。

面對復雜的政治形式，李自成并沒有對當時占據遼東的清廷有清晰的認識。
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，準備由薊州、密云破邊墻而入，沿途嚴格約束軍紀，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的農民軍，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。
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激戰(zhàn)。軍隊主力在石河西，同時進攻山海關的東羅城、西羅城、北翼城。以此防止吳三桂戰(zhàn)敗后引殘部出關投降清兵。激戰(zhàn)一夜后，吳軍不敵，據守北翼城的一支吳軍投降大順軍。第二日，吳三桂率領部分兵馬和鄉(xiāng)紳沖出關門請求清軍立即支援。
駐營在二里處的威遠臺觀戰(zhàn)的多爾袞經過幾天的考察，對吳三桂的處境和降清的誠意已經有了深入的了解。他讓吳三桂的士兵以白布系肩為號，答應支援吳三桂，同時下令清軍從南水門、北水門、關中門三路進關。
清兵進關后與大順軍交戰(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，大順軍在山海關戰(zhàn)敗，直接改寫了歷史，開啟了清軍入主中原的第一步。