洪承畴针对龙辰的作战部署，立即召开军事会议。洪承畴没有采纳马绍愉“乘锐出奇击之”、张斗“防其抄袭我后”的用兵建议。他还说：“我十二年老督师，若书生，何知耶！”就是说，“我已经做了12年的督师，你们这些书生，懂得什么！”

洪承畴见护龙军环山海而营，大惧。欲战，则力不支；欲守，则粮已竭。遂合谋退遁。当夜，洪承畴等欲收缩兵力，企图聚兵，主动出兵破局。

八月二十日，明军孙传庭部和护龙军统帅龙辰列阵大战。接战良久，矢飞炮鸣，杀伤相当，然护龙军愈战愈勇，孙传庭部渐渐不支，鏖战半日后，孙传庭部大败。与此同时，护龙军大将冉义领一万五千铁骑突袭洪承畴军后方，山海关内的护龙军一同出击，洪承畴苦力支撑局面，然明军之崩溃已成定局。

随后，牛二领游骑军夺取了明军在架山的十二堆储粮。其时，明军粮食被抢夺，退路被截断，因为无粮秣，而气挫势穷。洪承畴担心明军步、骑兵被分割，将步骑数万之众，收缩在山海关外的大营内。

山海关外的明军大营，是洪承畴先前亲自督建，壕沟工事，栅栏砌土，俨然一座简陋城池。此次山海关会战之中，明军最后正是依靠着这个大营来苟延残喘。

当晚，洪承畴见形势严峻，召开会议，共谋对策。他对八路总兵等诸将说：“当各敕厉本部，与之力斗。余身执桴鼓以从事，解围制胜，在此一举矣！”

但是诸将意见不一。

洪承畴又对诸将说：“守亦死，不战亦死，若战或可幸万一，不肖决意孤注，明天望诸君悉力。”

明军面临强敌，又缺乏粮食，多主张“回宣大就食”，以图再战。

于是，洪承畴放弃的计划，决定分兵两路，半夜突围。

当夜，明总兵王朴“怯甚”，尚未到约定突围时间，率领部众，已先逃遁，以致明军大乱。唐通、马科、吴三桂、白广恩、李辅明等，马步争驰，自相践踏，弓甲遍野，尸横满地。洪承畴等人突围未成，退守山海关外明军大营，孙传庭领轻骑杀出，侥幸突出重围。冲杀出去的明军，遭到护龙军截击，伤亡惨重。

总兵吴三桂、王朴等准备逃入大明腹地；总兵马科、李辅明等准备奔入山东。当吴三桂、王朴等沿海边逃跑时，护龙军迎头截击。数万明军，东有大海，后有追兵，盔甲遍野，溃不成军，赴海死者，不可胜计。当时正赶上潮水大涨，全军尽没，只有两百余人逃脱。

后仅白广恩、曹变蛟、王廷臣败入山海关外明军大营，与洪承畴及其万余残卒，共守大营。

二十四日，龙辰命设伏于高桥大路。吴三桂、王朴等率残部向宣大逃奔，遭到护龙军追击，败奔，一路丢盔弃甲，损失惨重。吴三桂、王朴恰中护龙军的预算——护龙军大仁部等伏兵四起，阻截前路，追兵蹑后。吴三桂、王朴和众士卒，手足无措，伏兵合力进击，各路溃窜。吴三桂、王朴，仅以身免，逃回宣大。其后，孙传庭也带着十余骑残兵来到宣大。后王朴被朱由检下狱斩杀，孙传庭被下锦衣衞诏狱。

山海关之战，历时十天，明军大败，护龙军获胜，明军被杀五万三千七百七十七人，损失马匹八千九百匹匹、驼九十八峰、甲胄一万三千六百一十二副。另外“赴海死者，以数万计，浮尸水面，如乘潮雁鹜，与波上下”。明军投海死者及丢弃马匹、甲胄数以万计。

尔后，龙辰命护龙军大规模进兵山海关外明军大营，必欲破赢，擒洪总督。大营内，缺粮短薪：“米粮有限，主客聚食，三月之后，恐不可支。”

明朝兵部认为：山海关外明军大营内，两万士卒，坚守时间，不能久待——“非饿死，则杀死”。