关宁军入卫京城。明思宗朱由检（崇祯皇帝）于是于二月间召见吴襄，询问吴三桂的兵力情况并将吴襄提升为中军府都督，又于三月五日加封吴三桂为平西伯，急调其入卫京师。
吴三桂接到诏书之前，宁远已是清军包围下的一座孤城，所以他早有弃守宁远之意。撤兵通知发出后十天，他将宁远军民50万众撤至山海关。接着又自山海关率师进京，二十日抵达永平。如果说此前掩护民众撤退影响了速度，还情有可原的话，那么他率著名的关宁铁骑从山海关进京的速度，显然远算不上一个看着熊熊燃烧的大厦的救火队员应有的速度。而三月十九日李自成已经攻入北京，朱由检自杀，明朝灭亡。
吴三桂失去了效忠对象以后，又开始向各方讨价还价了，而各方也开始出价了。三月二十日，李自成就已派出使者，携吴襄和已经投降的蓟镇总兵唐通的书信前往招降他，命他进京受封侯爵，把山海关交给唐通。三月二十三日，吴三桂得知李自成进京的消息，不久，北京的绝大多数明朝官员投降李自成的消息纷纷传来，李自成的使者也到了。他对使者殷勤接待，使者很满意地返回了。此时他是否已经投降了李自成呢？我们从一些线索中可见端倪：吴三桂在会见李自成的使者后就率部继续西进，并且还于所过途中，大张告示，宣称进京“朝见新主”，几天后，李自成在致左良玉等人的檄文中也声称：“唐通、吴三桂、左光先等知天命有在，回面革心”。可见，吴三桂此时的确投降了李自成。至少，他让李自成相信是这样。他是不是真心归降似乎并不重要，因为政治人物首先考虑的始终是利益。吴三桂此时和李自成并没有什么不可调和的矛盾，吴三桂不是什么忠臣，而此时明朝的官员投降李自成的也不在少数。吴三桂和大多数人一样，都看出改朝换代在所难免，投降至少可以保证已有的特权和在京家小财产的安全，也许还能混个新王朝的佐命功臣干干，可说是一个不错的选择。对于李自成来说，能够招降明朝此时首屈一指的大将和4万战斗力极强的关宁铁骑，对自己的政权也能起一个极好的稳定作用，实际上其后的发展证明，正是由于他没能做到这一点，他的政权被彻底葬送了。
李自成军其后的一系列行动让吴三桂的幻想成了泡影。就在吴三桂刚刚决定投降李自成并向北京派出约降使者后不久，三月二十五日，刘宗敏、李过等便开始了对明朝在京官员进行拷夹、追赃等行动，吴襄也在其列。一时间人心惶惶，吴襄也私下致书吴三桂，要他前来营救。两三天后，这些消息和吴襄的信一起到达了正在西进的吴三桂军中。稍晚些时候，大约三月二十九日，李自成派出的降将唐通、降官王则尧、张若麒、左懋泰等人携带吴襄手书和大批银两直至吴三桂军中，进一步劝其投降。看到前后两封吴襄书信内容截然不同，吴三桂认为李自成的招降不过是一场骗局，是想诱己进京再行消灭。因此他立即停止西进，率部重返山海关。在致父吴襄的复信中表示与李自成的决裂。
吴三桂为什么要和李自成决裂？根据已有的资料，基本原因有以下几条：
第一，父亲吴襄被拷夹。父亲被拷夹，儿子自然要营救，问题是，用起兵反叛营救在敌人手中的父亲，是一个很明智的选择吗？只怕父亲反而会因此被杀吧？所以这个原因可能性不大。
第二，误信逃出的家奴报告说全家被杀。吴三桂这样的枭雄，不至于轻信一面之词，这一点也不成立。
第三，爱妾陈圆圆被掳。甲申之变时，陈圆圆在北京被刘宗敏所占有，吴三桂得知后，盛怒之下叛李降清。这个因素有多大作用呢？吴三桂可以看着舅父祖大寿被围不救，抛弃恩师洪承畴逃跑，后来还能不顾父亲吴襄在李自成之手投靠清军，一个女人在他心里有多少地位是很值得怀疑的。不过，明末官员重金购置美妾已成为一种风气。陈圆圆既是吴三桂以千金之资所购得，而他本人又是手握重兵的封疆大吏，在自己的这一特殊财产受到侵犯之时，面子上是很难过得去的。因此，陈圆圆虽然不是吴三桂举兵反李的重要原因，但也未必完全没有起到作用。
第四，MP4兄的意见，吴三桂对李自成的开价不满意。李自成为吴三桂开出高官厚赏，但是要求他把关宁一线交给唐通等人。吴三桂不愿拱手交出自己的地盘，而他得知李自成军队武备渐弛，将士勒索财物，敲诈官吏的情况后，判定李自成并无远见韬略，没有坐江山的实力，所以乘势起兵。如果是这样的话，那么他此前在向李自成传达的投诚意愿就是一个战术上的欺骗行动了。
既然决定反李，吴三桂就处于腹背受敌的局面。山海关之西，李自成重兵近在咫尺，一场恶战迫在眉睫。山海关之东，又有日益逼近的宿敌强大的清兵。要以一力抵挡两大强敌，显然不是一个正常人应有的想法，而降李的道路既已堵死，吴三桂只好把目光转向清政权。
就当时形势而论，吴三桂投清其实已经是唯一的选择，但实行仍有许多困难。几十年来，明清一直处于战争状态，战败降清的官员如洪承畴、祖大寿等固然为人所不齿，连主张停战议和的官员如杨嗣昌、陈新甲等也为此饱受唾骂，甚至丢掉性命，现在自己步这些人的后尘，会不会使自己成为众矢之的？而自己军队中的仇满情绪也相当强烈，降清会不会引起部队兵变？此外，皇太极在世时曾对自己多次劝降，都被拒绝，自己此时求救，清会不会答应？会不会利用这种情况使自己陷于更加困难的境地？
为此吴三桂在和李自成决裂后制造了他和清军联合入犯的假消息，以试探包括李自成政权在内的各阶层的反应，其后又大造复辟舆论，并煽动在京的士绅官僚为崇祯帝朱由检服丧。在得知前者并未引起恶感，而后者却得到了大部分亡明官僚士绅的同情或支持后，吴三桂先于四月初连败李自成部将唐通、白广恩，正式和李自成翻脸，然后于四月初十左右开始了他的联清击李计划，向清发出了第一封求援信。
这第一封信表现了他最初的基本立场。信中，吴三桂称明朝为“我国”、“我朝”，称清朝为“北朝”。表示此时吴三桂只是以明臣的身份向清求援，目的是讨灭李自成，复兴明朝，消灭李自成后，将以子女玉帛和部分土地作为酬谢。在清军进军路线问题上，吴三桂要求清军只从喜峰口、龙井关、墙子岭、密云等处进入明境，而不是从自己的地盘山海关通过。这些地方，既是以往历次清军进入内地之旧路，又是目前李自成大军驻扎之处。按照这一规定，不但可以保护自身安全，防止清军乘机行其假途灭虢之计，而且还可以促使清军与李自成主力火并，自己则可收渔翁之利。当时山海关形势虽然紧张，但李自成大军尚未东行，吴三桂尚未到达山穷水尽的地步，而且对清也还是心存疑惧。
但吴三桂的使者刚刚出发没多久，李自成得到唐通等被击败的消息后，开始注意到山海关方面局势的严重性，便对他施加更大的压力。四月初六日，李自成增派万人东援并运大炮出城，两天以后，又派出数万骑兵东行。李自成大军东来，山海关将作为主要战场。这样，除非清军从山海关进军，否则根本无法对吴三桂形成任何帮助。吴三桂则被迫改变初衷，由不许清兵自山海关进关转而迫切要求其自山海关进兵。
清军主帅多尔衮于四月初九率大军10万南下攻明，十一日抵达辽河，得知李自成已经攻占北京后，采纳洪承畴的建议，走密云、蓟州疾行直趋北京。十五日，多尔衮抵达翁后所，接到了吴三桂的第一封信，回了一封信，要求吴三桂明确归顺，然后立刻日夜兼程，赶往山海关，二十一日晚，清军主力抵达山海关外十五里处。
另一方面，四月十三日，李自成亲率6万大军奔向山海关。已经胜利冲昏了头脑的李自成，对时局的严重性是估计不足的。在他看来，自己不但军事实力远远超过吴三桂，而且手中控制着吴三桂的父亲吴襄及其家属。吴三桂不是在大兵东向途中卷甲归降，也一定会在战争中被轻易消灭。而也许因为他把吴三桂当作是传统的明朝忠臣，对于他勾结清军入关的可能性，则连想也没想过。因此，在大军出发之时，他还携带了朱由检的两个儿子和吴襄随行，把政治上招降吴三桂作为此行的主要目的。李自成的这种轻敌麻痺思想和政治解决的幻想正好被吴三桂所利用。
他得知李自成亲自率军东征的消息后，随即派出了山海关士绅、儒生六人，于北京之东不远的三河县迎候李自成，表示投降之意，以拖延时间，等待清军。等使者携带多尔衮的复信返回山海关后，吴三桂马上又致书多尔衮，催促他赶快入关。二十一日晨，李自成抵达山海关，因吴三桂派去接洽投降的代表企图逃走，才发现他是假投降，但已贻误了时机。此时山海关守军除了吴三桂的4万部队外，还有山海关总兵高第率领的1万部队和3万乡勇。吴三桂将乡勇布置于关城四周的西罗城、东罗城和南翼城、北翼城防守，自率4万关宁军于西罗城外的石河列阵迎战。李自成以6万对8万，兵力处于劣势，但此时的李自成军士气还很高昂，他在石河及东、北、西三面发起全线进攻；同时令唐通前出至一片石，以切断吴三桂北退之路。激战一昼夜，吴三桂的战线几次被突破，全靠关宁铁骑的奋战才得保不失，但情况已经很危急了。
多尔衮率清军于二十一日晚抵达后，只是静观事态发展，并将从自己部队附近经过的唐通部歼灭。吴三桂此时已经没有任何可以和多尔衮讨价还价的筹码，当晚，在使者往返八次后，他终于做出了决定，率精兵冲破包围，来到清军阵中会见多尔衮，同意剃发并割让包括北京在�