山海关战役中的关键因素之一，是吴三桂与山海关总兵高第率领的五万兵马的战队问题。若这五万兵马归顺大顺，历史极大概率会改写，明朝的江山依然是掌控在汉人手里。
吴三桂是辽东中后所人（今辽宁省绥中县），他的父亲吴襄、舅父祖大寿都曾任明朝总兵。
早在在山海关战役之前，皇太极就先后三次写信劝降吴三桂。
第一次劝降
早在1642年（明崇祯十五年、清崇德七年）四月，清军攻克松山和锦州后，皇太极第一次劝降吴三桂。他致信吴三桂，说他的舅氏祖大乐、祖大寿获得保全，让他尽快归顺。
同时，皇太极又命吴三桂的哥哥吴三凤以及祖可法、张存仁、裴国珍等亲属好友给吴三桂写信，告知其中的厉害关系，让吴三桂尽快降清。
第二次劝降
同年十月，皇太极再次给吴三桂写信，说他与清皇帝向来无仇，而且他的亲戚都已经归顺大清，让他早做打算。
同时，皇太极又命吴三桂舅父祖大寿写信劝降。信中说感谢大清皇帝仁慈，不仅没有杀他，反而加官封地。明朝一月丢四城，乃天意。“贤甥当世豪杰，岂智不及此耶？再观大清规模形势，将来必成大事。……若率城来归，定有分茅裂土之封，功名富贵，不待言也。……”（《南明史》，顾诚）
然吴三桂回信并未表态是否归顺清廷。
第三次劝降
1643年正月，面对吴三桂的犹豫，皇太极第三次写信劝他“急图归顺，勉励功名”。
吴三桂犹豫不决，并没有接受清廷的招降，因为他认为自己还有很大的回旋余地。
1644年三月，吴三桂决定归顺大顺。顾诚在《南明史 上》一书里指出吴三桂这么做的原因有四个：
1.明亡时，大批明朝官员都归附了大顺，其中还有不少是吴三桂的同事好友，如唐通、白广恩等。在他看来，李自成建立的大顺政权是众望所归，有统一天下之势。
2.大顺政权仍然以汉人为主体，吴三桂等军民更易接受。
3.吴三桂所率领的辽东官兵与清军一直处于敌对之势，但是同大顺却没有什么恩怨。
4.吴三桂的舅父虽然归顺了大清，但是他的父母等直系亲属却居住在北京，在大顺的控制之下。吴三桂若是降清，必然影响他们的命运。曾经一起共事的唐通、白广恩等人已然跻身大顺新贵，特别是唐通，兵力远逊于吴三桂，投降大顺就受封为定西伯。唐通出面劝降，对吴三桂有有极大吸引人。
基于上述四个原因，吴三桂、黎玉田、高第等人决定投靠大顺，撤回关内回北京接受李自成的招降。唐通则接管山海关防务。
叛变
吴三桂行军至河北玉田县时又突然改变了主意，带领兵马扭头直奔山海关，袭击镇守关门的唐通部队。兵力仅吴三桂五分之一的唐通很快战败，山海关被吴三桂占领。
顾诚查阅众多史籍，寻找吴三桂突然叛变的缘由，总结出了三个：
1.吴三桂听说自己的父亲吴襄在北京被大顺拘捕索晌二十万。
2.吴三桂误信从北京私逃出来的奴仆谎报吴襄全家被大顺抄没。
3.吴三桂在北京的爱妾陈圆圆被大顺所掠。这种说法最为人们所乐道，真实性难以考定。
无论哪种说法，也无论吴三桂叛变与否，他自始至终都是从自身利益来考虑的。
吴三桂夺取山海关，用行动表明自己与大顺决裂，以投靠清廷。
即便到了这一步，吴三桂依然玩弄起手腕，一面“遣人东乞王师”，一面“遣人给贼缘师”。说白了，谁对他有利，他就投靠谁。
李自成得知吴三桂叛变后，做了两手准备，一是安抚吴襄，并以吴襄名义劝吴三桂；二是做好武力解决的准备，出兵平叛。四月十三日，李自成、刘宗敏亲自统帅大军前往山海关，并带明朝太子朱慈烺和吴襄等人随同。希望能以此招降吴三桂，可吴三桂已然叛变投清。
面对复杂的政治形式，李自成并没有对当时占据辽东的清廷有清晰的认识。
四月初九，清摄政王多尔衮率满洲、蒙古兵三分之二及汉军恭顺等三王、续顺公兵，按照洪承畴的建议，准备由蓟州、密云破边墙而入，沿途严格约束军纪，不屠人民、不掠财物，不焚烧屋舍。
清军行至翁后，意外遇上吴三桂使者副将杨坤、游击郭云龙携带求援书信。原来吴三桂在信中以明朝孤臣自居，请求满清合兵共讨李自成率领的农民军，并以“裂地”作为报筹。实际上明朝那时已然覆亡，吴三桂也不能决定“裂地为筹”一事。这只不过是他叛变的借口罢了。
多尔衮明察吴三桂的心思，立即改变进军路线，直奔山海关。
李自成带十万兵马于四月十三日从北京出发，奔赴山海关平叛，而清兵全部兵力仅十万，多尔衮就带了七八人。李自成带领的大顺军对付吴三桂的五万兵力是绰绰有余的，但由于吴三桂投靠满清，导致吴、清在兵力上占优势。
大顺军行至三河县时遇到吴三桂派来的使者，使者谎称吴三桂愿意投诚，请求支援。李自成信以为真，派明朝降官密云巡抚王则尧以兵政尚书的身份去山海关于吴三桂谈判。而李自成则放缓行军速度，原本五天的形成，他们足足走了八天才抵达关西。到达时才得知王则尧已被拘押。
四月二十一日辰时，大顺军与吴三桂在山海关激战。军队主力在石河西，同时进攻山海关的东罗城、西罗城、北翼城。以此防止吴三桂战败后引残部出关投降清兵。激战一夜后，吴军不敌，据守北翼城的一支吴军投降大顺军。第二日，吴三桂率领部分兵马和乡绅冲出关门请求清军立即支援。
驻营在二里处的威远台观战的多尔衮经过几天的考察，对吴三桂的处境和降清的诚意已经有了深入的了解。他让吴三桂的士兵以白布系肩为号，答应支援吴三桂，同时下令清军从南水门、北水门、关中门三路进关。
清兵进关后与大顺军交战。然而鏖战一夜的大顺军，很快就不敌清军，李自成下令撤退。退到永平府范家店时，李自成决定处斩吴襄。
回到北京后，李自成又杀了吴三桂家属34口。
由于吴三桂的叛变，以及李自成的错误政治判断，大顺军在山海关战败，直接改写了历史，开启了清军入主中原的第一步。
