山海关是万里长城东段的起点，居诸关隘之首的“天下第一关”。它的关城与长城连接，浑然一体，构成了一座极其坚固而不可逾越的险关。
山海关的主体建筑关城，呈四方形，周长八里一百三十七步四尺，环以护城河，宽五丈，深二丈五尺。关城东西南北各设一座关门：东门叫“镇东”、西门叫“迎恩”、南门叫“望洋”、北门叫“威远”。在东西两门外，与关城紧密相连有两座小城，称罗城。它是为加强关门的防御能力而建的。在东门外的，叫东罗城，西门外的，叫西罗城。东罗城建于万历十二年（1584年），其城墙高二丈三尺四寸，周长五百四十二丈四尺，东、南、北三面各设一个门，门外有护城河环绕；再有水门两个、角楼两个、敌楼七个。在与东罗城相交接的城墙上，还有两座楼，用以屯兵设防。西罗城在关城内侧，西门外。迟至崇祯十六年才动工修建，只修了一个西门，明朝就灭亡了，工程随之而停止。
在关城南北两侧两里处，长城的内侧，南水关、北水关附近，各建一座小城，称翼城。南侧的，叫南翼城；北侧的，叫北翼城。城墙高二丈余，周长三百七十七丈四尺九寸。各设南北两个门。南北翼城是驻关的防兵屯驻之处，它从南北两个方向拱卫关城。参见罗哲文：《长城》，北京出版社，1982年版。
山海关城，依山临海，与长城连为一体，于城外设城，门外设门，构思奇妙，防御十分严密，自成一完备体系。只要有足够的军队防守，任何强大的敌人很难破关。自清太祖努尔哈赤，特别是到清太宗皇太极时期，一直在窥视关门，一心想得到它。可是，他们深惧山海关防御无暇可乘，坚固无比，从不敢履险攻打关城，每次进兵总是绕道内蒙古地区，从长城薄弱的龙井关等处入口。他们望关门而兴叹二十余年。像清军如此强大善战竟不敢兵临关门之前！李自成亲率农民军前来攻关，不能不冒几分风险。
在吴三桂探知李自成率军攻关的消息后，一方面派人出关向清朝请兵；一方面又派出高选、李友松、谭邃环、刘泰临、刘台山、董镇庵等六人作为他的代表，前去李自成军营诈降。［光绪］《永平府志》，卷58，“高选传”；卷65，“李友松传”。目的是先稳住李自成，延缓其进军，争取时间，既加强关城防御，又便于清军在农民军抵关前赶来。高选六人，“行至三河（河北三河县）遇贼”［民国］《临榆县志》，卷21，“事实篇·乡型”。，与农民军相遇，见李自成，诡称吴三桂愿意投降，希望不要进攻。李自成对此真假难辨，虽不敢全信，仍对三桂抱有希望。不过，他并没有放弃军事进攻，他还是把这六人带在军中，企图亲去招降三桂。因为受到这六人的诈降欺骗，李自成没有急于行军，行速缓慢，给三桂腾出了请兵与备战的时间。
李自成率大军行军九天，迟至四月二十一日才到达山海关。黄昏时清军才至山海关外十五里的地方。李自成兵临山海关前，迎接他的不是吴三桂或他的代表，却是在石河西已摆开阵势的辽兵！他当即识破了三桂诈降的诡计，这时，高选等六人企图逃跑。自成大怒，下令逮捕他们处死，其中一人没抓住，身中三箭，跑掉了。［乾隆］《永平府志》，卷18，“李友松传”。
正像三桂给多尔衮的第二封信中所报告，他已遣精锐兵马出关城，在山海关以西，即石河西岸占据战略要地。三桂部下一位姓佟的副将，并由一个姓臧的将官协同，奉命率部“列营排阵”，自龙王庙至谭家颇罗，又征召当地乡勇三万余人，协助吴军。三桂虑及关城兵少，粮饷不济，就求助当地士绅，组成地主武装，其中有不少知识分子——“生员”参加组织“乡勇”，他们助饷白银7850余两，稽查战马120余匹，以助吴军，他们共同督率这支“乡勇”，经过短期训练，投入战场。转引自［台湾］李光涛：《明末流寇始末》下编，96~98页。
李自成到达山海关时，曾派使者最后一次通令吴三桂投降，遭到拒绝。发现吴军已列阵迎战，不再对三桂抱有幻想，迅即部署兵力；一在石河西，以主力作正面进攻，一派唐通率少部骑兵迅速从九门口出关，绕到关外，至一片石立营，《清世祖实录》，卷4，16页。截住三桂东逃之路，与关内一侧农民军夹击吴军。
战斗首先在石河西（今山海关区燕塞湖一带）展开。
这是一场拼死的恶战，吴军与农民军部发挥出最大的战斗力，以战胜对方。据战后三桂部将姓臧的报告：他与其他将官作前锋，与农民军“死战”，“连杀数十余阵”。农民军又发动突袭，冲入佟副将营内，他发现后，急率兵解救，将农民军击退。又据三桂的教官战报：他督率的乡勇同吴军配合作战，向农民军发起一次次冲锋，生员谭有养、刘以祯等冲入农民军营中被击毙，还有一些生员被击伤。
战斗从早晨开始，一直激战到中午，吴军与乡勇有些招架不住，西北防线被突破。有数千名农民军骑兵飞奔至关城的西罗城北侧，正要登城，守御此处的吴将又以伪降欺骗攻城的农民军将领，暗中传令偏将从北坡鱼贯而下，偷袭农民军，同时，城上守兵轰击，农民军的进攻被打退，遭受严重伤亡。
农民军大战石河西，李自成又以部分兵力攻打北翼城。“此城逼山受敌”，农民军集中兵力直取，欲打开一缺口，占领山海关，因此“日夜狠攻”。负责指挥守北翼城的山海关副总兵冷允登拼死防守，屡次击退，又屡次进攻。至次日晨，农民军蜂拥强攻，竟直扑到城下，有的已登城，情况十分危机，冷允登只得率亲丁拼力堵击。“正在呼吸存亡之间”，急请三桂拨兵支援，及时赶到，才把已爬上城的大批农民军击落至城下。《明清史料》丙编第5本，414页。当地乡绅马维熙、刘克礼、吕鸣章等十人率乡勇“总理”和“协理”镇城与东、西罗城，而东罗城“孤当贼冲，危机劳瘁，倍于两城”《明清史料》丙编第5本，449页。。马维熙等备击农民军，保住了东罗城。
吴军在处于劣势的情况下，承受住了英勇善战的农民军的不间断的重击，与之大战一整天，曾几度危机，又几度转危为安。战况已显示出吴军的顽强战斗力，称得上是一支劲旅。这是其他各镇明兵所不能比的，也不是农民军向北京进军中所遇到的那些一触即溃的明兵。战况表明，吴军并不是如人们所想像，以为它不堪一击，农民军可以轻而易举得到山海关。事实的确不是这么简单。农民军要想彻底击败吴军，必须要付出更高的代价。
当天晚上，三桂见农民军锐气正盛，便把主力撤回关城，双方转为炮击不止，爆炸声在夜空中轰鸣，如天际的雷声，显得沉闷、有力，似乎大地也为之抖动，刚进至距山海关十五里外的清军不由得一阵心悸……
有诗为证：
逾日敌兵至，
接战西石河。
伪降诱贼帅，
游骑连北坡。
将令属偏裨，
尽歼副城阿。
遥望各丧胆，
逡巡返巢窠。
我兵亦退保，
竟夜严巡呵。
《临榆县志》，卷8，《舆地编·纪事》。
这十句诗说的正是二十一日一整天的战事。不事渲染，也无夸张，为我们再现了当时双方争战的一幅清晰的画面。
多尔衮刚出营，三桂的哨骑便来报告农民军已占领一片石。他当即命令诸王各率精兵向农民军发起攻击，图赖率前锋兵与唐通的骑兵数百人相遇，一举将其击败，生擒两人。《清世祖实录》，卷4，16页。又，《国榷》、《庭闻录》及《圣武纪》皆说唐通部两万人于一片石立营，并与清兵进行战斗。考其两说，李自成派唐通统率数百人出关一片石，兵力如此之少，不足与关内一侧农民军夹击吴军，似不大可能。《明季北略》载三桂“突围”出关外，面谒多尔衮，可见关外一侧仍受到唐通部包围。这表明清军已开始参战。这次战斗，规模不大，更激烈而又具有决定性意义的战斗，是次日的第二次石河大战。
吴三桂料定明日必有一场恶战。他为清军迟迟不进关而十分焦急，一夜之中，连续多次派使者至清营，敦请多尔衮尽速入关。据载：“三桂遣使者相望于道，往返凡八次。”《明季北略》，卷20，495页。中华书局，1983年版。处事谨慎的多尔衮始信三桂请兵可能真实。至下半夜，他下令清军向山海关移动，黎明时，推进到离山海关只有四五里的欢喜岭。欢喜岭，又叫凄惶岭，位于山海关以东四、五里之地。以往出征或戍人至此，因离家乡而至塞外，心情“凄惶”，戍人返归故乡，至岭，眼望山海关，以举足到家而“欢喜”。见《临榆县志》。只见关上烟尘弥漫，听得“炮声大发”不绝。《沈馆录》，卷7，2841页。到这时，多尔衮还没有完全释去对三桂的疑虑，他与阿济格、多铎密议说：“莫非吴三桂知道我南来，故意设此圈套来引诱我吗？我兵曾三次围过北京，都不能马上攻克，李自成却一举破之。看来，此人的智勇必大过一般人。现在他统大军亲至，志不在小。他是否欲乘此次战胜的精锐，有窥我辽东之意？不如分兵固守，以观察动静。”多尔衮对三桂、李自成都表示了怀疑，为慎重起见，他命令部队驻扎欢喜岭，屯兵不进。“高张旗帜，休息士卒。”《明季北略》，卷20，495页。岭上有一座威远台，筑有城堡，原是山海关前的瞭望哨所。他与诸王进威远台，继续观察动静，又遣使前往山海关，进一步等待三桂的消息。
三桂得知清军已至欢喜岭，还不见清军行动，又急忙派出山海关士绅冯祥聘、吕鸣章、曹时敏、程邱古、佘一元五人代表民意前去敦请。佘一元曾作叙事诗数首，专记此事经过，其中一首写道：
清晨王师至，
驻旌威远台。
平西（三桂）召我辈，
出见勿迟回。
冯吕暨曹程，
偕余五骑来。
相随谒摄政，
部伍无喧豗。
范（文程）公致来意，
万姓莫疑猜。
煌煌十数语，
王言实大哉。
语毕复赐茶，
还辔向城隈。
《临榆县志》，卷8，18页。
这首诗真实地记叙了他们五人面谒多尔衮的详细经过。佘一元首先点明清军在二十二日晨已到欢喜岭，三桂委托他们代表他去见摄政王多尔衮，并嘱他们速去速回，透露出三桂的急迫心情。他们到了威远台，多尔衮立即接见，还有范文程陪同，“赐坐赐茶，款接温蔼”《临榆县志》，卷21，“事实篇·乡型”。。范文程向他们说明清军此次出兵的意图，请他们转告山海关军民不需“疑猜”。多尔衮“煌煌十数语”，无非把他们出征前规定的政策及帮助三桂报君父之仇的堂皇之言解释一番，这使佘一元等五人置信不疑，倍加感激。说完，又一次赐茶，就告辞回关。从诗中所说，已知这次会见短促，因军情紧急，仅“十数语”而罢。