谁料三月二十四日吴三桂行至玉田县时，得知吴家在北京的家产被大顺军抄掠、父亲吴襄被拘捕并被严刑拷问追饷二十万，家属被虐待，自己的爱妾陈圆圆被大顺军将领刘宗敏强占后，立马改变了主意。他怒火中烧地对部下说道：“我不忠不孝，尚有何颜面立于天地间！”“此仇不可忘，此恨亦不可释！”并发誓与大顺农民军誓不两立。怀着满腔怒火的吴三桂杀了个回马枪，驱逐了唐通所部八千人，于四月初四重占山海关。“吴帅旋关日，文武尽辞行。士女争骇窜，农商互震惊。”形势突变使大批明朝乡绅大为惊骇，一时搞不明白到底发生了什么事。重返山海关的吴三桂在回复父亲的信中怒道：“父即不能为忠臣，儿安能为孝子！”并宣布：“桂与父绝，请自今日，父不早图，贼虽置父于鼎俎旁，桂不顾也。”但他手中仅有五万兵力，根本不足以与大顺军抗衡，，现在他只有一个选择，那就是投靠关外的清朝，摆脱两线作战的困境。于是，他决定引清兵入关，效法唐朝向回纥借兵平定安史之乱，向清军“借兵”复君父之仇。掌握清朝大权的摄政王多尔衮得知吴三桂来投的消息后大喜，立即率领十万大军南下，清朝两代君主虽多次深入明朝腹地劫掠，但都被山海关所阻。此前清朝曾三番五次诱劝吴三桂投降，甚至动员降将、吴三桂的舅父祖大寿进行规劝，但吴三桂不为所动。现在吴三桂主动献关来归，清军不费一兵一卒就可入关，夺取中原的夙愿即将实现，多尔衮不由得惊喜交加。在信中，吴三桂称自己兵少力微，无法与大顺军抗衡，故而以“亡国故臣”的名义向清朝“借兵复仇”，并许诺“攻灭流寇”后清军可以得到大量金帛子女，明朝还会“裂土以酬”。多尔衮在给吴三桂的回信中假惺惺地声称，听到“流寇”攻陷京师、“明主惨亡”的消息后“不胜发指”，正要率“正义之师”前去讨伐，“救民于水火”。对于吴三桂以明朝遗臣“借兵”的请求，多尔衮根本不予理睬，而是直截了当要他降清，并对他做出了“裂土封王”、“世世子孙永享富贵，如山河之永”的承诺。吴三桂根本没有讨价还价的余地——大顺军已经兵临城下，自己先后八次派遣使者前往清军营中请援，但抵达关外的多尔衮的清军还在游移观望，不肯马上参战。四月十二日清晨，已无退路的吴三桂亲自奔赴多尔衮帐中求援，并与多尔衮达成了协议，双方斩黑牛白马、折箭歃血，向天盟誓：吴三桂遵从满人风俗剃发易服，以示顺从，并承诺以黄河以北之地作为酬谢；多尔衮则进入了梦寐以求的山海关，“帮助”明朝讨平“流寇”、收复北京。
清军入关后与吴军在山海关外的石河内外夹击，很快击败了李自成的农民军，并乘胜追击夺取了北京城。山海关之战结束那天，吴三桂就被多尔衮封为平西王，但清方未允许吴三桂部进入北京城，而是命他绕城而过，领军继续西征，追击大顺军。之后，清军又分兵南下，席卷中原江南，降清的吴三桂见清兵势大，李自成败死九宫山，弘光、隆武等短命政权相继覆灭，南明永历帝四处逃窜，清朝入主中原之势已成定局，便知趣地不再提复明之事，彻底投降了清朝。被封为清朝的平西王后，吴三桂开始率兵协助清攻打农民军及南明军，由陕甘入川滇，立下了汗马功劳。南明最后一个皇帝永历帝逃至缅甸，也于康熙元年（1662年）被吴三桂擒获处死。吴三桂因此被破例晋升为亲王，成为汉臣中的第一人。
