清廷对夺取潼关非常重视，增派固山额真阿山、马喇希等统兵经山西蒲州渡河协助，并且急调红衣大炮供攻打潼关之用，十二月二十九日，潼关战役开始，大顺军主将刘宗敏先战，失利后退入潼关。
崇祯十八年(顺治二年)正月初四日，刘芳亮领兵出战，又被清军击败，于是李自成亲自率领马、步兵迎战，多铎命令八旗兵全力会战，大顺军再次失利，步兵损失甚多，.初五、初六两天，大顺军连续夜袭清军大营，都被早有准备的清军打退，大顺军不仅没有取得战果，反而损失上万将士。
正月初九日，清军红衣炮军运达，十一日，清军进逼潼关口，先用红衣大炮轰击，大顺军在不利的情况下仍然顽强抵抗，力图扭转战局，清军大举进攻，相继攻入大顺军阵，大顺军先派骑兵反击，又调遣部分兵马迂回到清军阵后突击，都被清军击败。
正在这个关键的时刻，北路清军由英亲王阿济格率领，已由山西保德州渡过黄河进入陕北，尽管李过、高一功在延安、榆林英勇抵抗，阿济格为了尽快夺取西安，只留下姜瑄率领一批明朝降将继续包攻榆林，并占据了米脂县，李自成面临清军两路夹攻，大顺军主力已经调到潼关，如果继续在潼关同多铎部硬拼，西安必将被阿济格部攻占，大顺政权的文武官员、将士家属以及重要物资都很难保住。
李自成同刘宗敏、刘芳亮等被迫率主力撤回西安，十二日，清护军统领尼堪等领兵占潼关，大顺潼关守将马世耀率所部七千人投降，第二天多铎以打猎为名，在潼关西南十里的金盆口设下埋伏，然后谎称举行宴会，把马世耀部下的马匹器械全部解除，借口马世耀私通李自成，一声号令埋伏的清军突然冲出，把马世耀和他部下七千余名大顺军将士全部屠杀贻尽。
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