第一個發現不對的還是董學禮，自從馬世耀投降以來，他就一直覺得不對，派人密切注視著馬世耀的動向。果然，馬世耀似乎在悄悄準備著什么。過了戌時之后，馬世耀的動作更加緊鑼密鼓，營內有甲兵活動，董學禮急忙向多鐸報告。多鐸半信半疑，先派人來請馬世耀前去帥帳赴宴。舉事時間馬上就到了，馬世耀當然不可能前往，但是事態緊急，又容不得他不去，情急之下，馬世耀只得斬殺了多鐸的使者，提前舉事。馬世耀的部下在潼關內放起火來，但是清軍卻并沒有像他預計的那樣潰亂，派去放火的十隊人只有三隊得手，而且清軍迅速地整頓隊伍殺了過來。

馬世耀知道自己低估了清軍，不過他獻此詐降策的時候，就知道此戰兇多吉少，縱然計策成功，也不見得能保全性命，事到臨頭也沒什么可畏懼的，他率領七千部下據寨死守，等待李自成的接應。

潼關內燃起火頭的時候，順軍的接應部隊還沒到位，打頭陣的劉宗敏看見潼關內提前燃起了火焰，城頭上出現了大量清軍士兵，知道情況有變，顧不得后隊趕上，立刻開始進攻。順軍在撤退時就已經填平了潼關西側的壕溝，拆除鹿角柵欄，攻擊一開始就立刻直逼城下，架起云梯登城，城頭的清軍槍炮齊發，雙方展開惡戰。

城內馬世耀的處境萬分危險，簡陋的木制砦欄根本抵擋不住清軍的炮火，很快就被打開了多個缺口，高第、董學禮、孔希貴、吳勝兆、土國寶等綠營部隊奮力突擊，幾度沖進營內，又幾度被順軍趕出。孔有德在指揮城頭對劉宗敏部的炮擊，耿仲明則率部炮擊馬世耀的營壘，多鐸卻握著手中滿洲兵的主力按兵不動，等待時機。

田見秀和袁宗第也很快投入了戰斗，順軍已經有不少登上了城頭，多鐸命滿洲鑲藍旗都統屯齊前往城頭坐鎮，有了真滿洲兵壓陣，孔有德、吳守進等部漢軍士氣大增，在城頭死死頂住順軍。

城門打開，佟圖賴、吳守進、伊爾德、濟席哈四將率部出城突擊，正在攻城的田見秀部登時潰亂，但就在這時，李自成和劉芳亮也趕到了，潼關城下的順軍山呼萬歲，震天徹地，清軍的氣勢為之一挫。孔有德下令朝李自成的黃蓋炮擊，但是李自成的儀仗十分簡陋，在黑暗中想準確命中難度極高。

城內城外，城上城下，整個潼關都成了戰場，暗夜之中誰也分辨不清戰場上的整體局勢，只能和眼前的對手殊死搏殺。左光先被家丁們用肩輿抬著指揮戰斗，他的部隊在慶都之戰中損失很大，但是跟著他撤到陜西的也都是死忠，這些榆林子弟兵或許對國家沒有什么忠誠，但是和左光先還有陜西這塊土地有感情，為左勷復仇和保衛桑梓的熱情十分高漲，加上馬科從旁協助，竟和佟圖賴、吳守進指揮的兩支漢軍旗部隊打得旗鼓相當。劉宗敏、田見秀、劉芳亮、袁宗第這些闖軍的老兄弟更不必說，都是殊死搏殺。

然而，清軍依靠潼關城防，又剛剛取得大勝，士氣高昂，順軍盡管奮勇搏殺，還是始終無法沖進潼關。城頭的炮火也給順軍造成了大量的殺傷，一旦抵近城下，又會遭到鳥銃和小口徑火炮的密集射擊。混戰之中，高汝利被人擊落馬下，亂軍中踏為肉泥，馬科額頭中箭，生死不明，他的部下哪還管李自成，立刻保護著他脫離了戰場，順軍的戰線開始松動了。

“那人便是李自成！”孔有德高聲叫道。其實他根本沒看清那個小山包上有什么人，只是憑借多年混跡疆場的經驗覺得那里應該有順軍的一個高級將領在指揮而已。清軍的炮兵立刻向孔有德指示的方向進行了密集的射擊，在月光之下，能看到一面大纛倒了下去。孔有德立刻高呼：“闖賊被擊斃了！”

順軍也確實在這輪炮擊之后發生了混亂，孔有德當然沒有打死李自成，但是大順軍的第三號人物，權將軍澤侯田見秀卻被一發炮彈撕去了整條左臂，血流如涌。偏將親兵們急忙來搶救田見秀，田見秀搖了搖頭：“我不成了。皇上……”話未說完，便閉上了眼睛。

清軍士氣大增，紛紛高呼“闖賊被擊斃了！”雖然李自成此時正在率領自己的親軍和濟席哈部下的蒙古兵激戰，可是在如此混亂的夜戰中，除了他身邊的人之外誰也不知道他在哪。李自成當即打出自己的全副儀仗旗幟，但是在黑夜中能起到的作用也十分有限。博洛、尼堪二貝勒率領滿洲兵出城反擊，順軍開始敗退。

與此同時，城內的馬世耀部也終于到極限了，多鐸與順治帝的兄長承澤郡王碩塞對馬世耀發起了總攻，清軍突入寨中。馬世耀手刃清軍甲兵數人，負傷七八處，拔劍自刎，七千將士無一降者，全軍覆沒。

城外的順軍陣亡數千，田見秀、高汝利戰死，馬科也傷重身死，其部潰散，李自成率領兩萬余人的殘部撤回西安。而多鐸得知阿濟格撇下李過，繞路兼程趕往西安和他爭功之后，也顧不得自己的軍隊經過七場血戰后損耗嚴重，下令只休息兩天，一月十六日一早就出發向西安進軍。回到長安的李自成面臨艱難的抉擇，是據城防守，還是撤離保存實力？

對于李自成來說，該如何選擇一目了然，任何守城戰的勝利都建立在有強大的援兵的基礎上，如果李自成困守西安，該指望誰來給他解圍呢？是南京的弘光朝廷還是張獻忠？實際上在潼關戰役前，李自成就已經做好了放棄西安的心理準備。皇后高桂英、丞相牛金星在西安坐鎮，謀士宋獻策和顧君恩則把留在西安的老營家眷和物資秘密向襄陽轉移。如果潼關之戰的結果是李自成獲勝，不過空折騰一趟而已，就當是為將來平定湖廣、收拾左良玉做準備了，但如果李自成在潼關落敗，這些準備就非常必要了。

李自成曾經多次被明軍追殺得離開陜西，比如說左光先和馬科，就都達成過“把李自成趕出陜西”的成就。李自成并非沒有遭受過更嚴重的挫敗、更慘痛的損失，但那時的他只不過是一介流寇，所作所為都只為了在亂世中求生而已。現在的他是大順皇帝，身上肩負著半個中國的擔子，他的勝利或失敗，將會改變億萬人的命運。當身后有一個國家、一個朝廷，他就不可能再像過去那樣以十八騎逃亡而后東山再起了。當了皇帝，就只有勝利和死兩條路可以走。沒有人會承認一個失敗的皇帝，沒有人承認的皇帝就不會再有權力，流寇獲得了權力可以變成皇帝，皇帝卻不能交出權力再去當流寇。

李自成隱隱感到，這可能是他最后一次離開自己的故鄉了。