第一个发现不对的还是董学礼，自从马世耀投降以来，他就一直觉得不对，派人密切注视着马世耀的动向。果然，马世耀似乎在悄悄准备着什么。过了戌时之后，马世耀的动作更加紧锣密鼓，营内有甲兵活动，董学礼急忙向多铎报告。多铎半信半疑，先派人来请马世耀前去帅帐赴宴。举事时间马上就到了，马世耀当然不可能前往，但是事态紧急，又容不得他不去，情急之下，马世耀只得斩杀了多铎的使者，提前举事。马世耀的部下在潼关内放起火来，但是清军却并没有像他预计的那样溃乱，派去放火的十队人只有三队得手，而且清军迅速地整顿队伍杀了过来。
马世耀知道自己低估了清军，不过他献此诈降策的时候，就知道此战凶多吉少，纵然计策成功，也不见得能保全性命，事到临头也没什么可畏惧的，他率领七千部下据寨死守，等待李自成的接应。
潼关内燃起火头的时候，顺军的接应部队还没到位，打头阵的刘宗敏看见潼关内提前燃起了火焰，城头上出现了大量清军士兵，知道情况有变，顾不得后队赶上，立刻开始进攻。顺军在撤退时就已经填平了潼关西侧的壕沟，拆除鹿角栅栏，攻击一开始就立刻直逼城下，架起云梯登城，城头的清军枪炮齐发，双方展开恶战。
城内马世耀的处境万分危险，简陋的木制砦栏根本抵挡不住清军的炮火，很快就被打开了多个缺口，高第、董学礼、孔希贵、吴胜兆、土国宝等绿营部队奋力突击，几度冲进营内，又几度被顺军赶出。孔有德在指挥城头对刘宗敏部的炮击，耿仲明则率部炮击马世耀的营垒，多铎却握着手中满洲兵的主力按兵不动，等待时机。
田见秀和袁宗第也很快投入了战斗，顺军已经有不少登上了城头，多铎命满洲镶蓝旗都统屯齐前往城头坐镇，有了真满洲兵压阵，孔有德、吴守进等部汉军士气大增，在城头死死顶住顺军。
城门打开，佟图赖、吴守进、伊尔德、济席哈四将率部出城突击，正在攻城的田见秀部登时溃乱，但就在这时，李自成和刘芳亮也赶到了，潼关城下的顺军山呼万岁，震天彻地，清军的气势为之一挫。孔有德下令朝李自成的黄盖炮击，但是李自成的仪仗十分简陋，在黑暗中想准确命中难度极高。
城内城外，城上城下，整个潼关都成了战场，暗夜之中谁也分辨不清战场上的整体局势，只能和眼前的对手殊死搏杀。左光先被家丁们用肩舆抬着指挥战斗，他的部队在庆都之战中损失很大，但是跟着他撤到陕西的也都是死忠，这些榆林子弟兵或许对国家没有什么忠诚，但是和左光先还有陕西这块土地有感情，为左勷复仇和保卫桑梓的热情十分高涨，加上马科从旁协助，竟和佟图赖、吴守进指挥的两支汉军旗部队打得旗鼓相当。刘宗敏、田见秀、刘芳亮、袁宗第这些闯军的老兄弟更不必说，都是殊死搏杀。
然而，清军依靠潼关城防，又刚刚取得大胜，士气高昂，顺军尽管奋勇搏杀，还是始终无法冲进潼关。城头的炮火也给顺军造成了大量的杀伤，一旦抵近城下，又会遭到鸟铳和小口径火炮的密集射击。混战之中，高汝利被人击落马下，乱军中踏为肉泥，马科额头中箭，生死不明，他的部下哪还管李自成，立刻保护着他脱离了战场，顺军的战线开始松动了。
“那人便是李自成！”孔有德高声叫道。其实他根本没看清那个小山包上有什么人，只是凭借多年混迹疆场的经验觉得那里应该有顺军的一个高级将领在指挥而已。清军的炮兵立刻向孔有德指示的方向进行了密集的射击，在月光之下，能看到一面大纛倒了下去。孔有德立刻高呼：“闯贼被击毙了！”
顺军也确实在这轮炮击之后发生了混乱，孔有德当然没有打死李自成，但是大顺军的第三号人物，权将军泽侯田见秀却被一发炮弹撕去了整条左臂，血流如涌。偏将亲兵们急忙来抢救田见秀，田见秀摇了摇头：“我不成了。皇上……”话未说完，便闭上了眼睛。
清军士气大增，纷纷高呼“闯贼被击毙了！”虽然李自成此时正在率领自己的亲军和济席哈部下的蒙古兵激战，可是在如此混乱的夜战中，除了他身边的人之外谁也不知道他在哪。李自成当即打出自己的全副仪仗旗帜，但是在黑夜中能起到的作用也十分有限。博洛、尼堪二贝勒率领满洲兵出城反击，顺军开始败退。
与此同时，城内的马世耀部也终于到极限了，多铎与顺治帝的兄长承泽郡王硕塞对马世耀发起了总攻，清军突入寨中。马世耀手刃清军甲兵数人，负伤七八处，拔剑自刎，七千将士无一降者，全军覆没。
城外的顺军阵亡数千，田见秀、高汝利战死，马科也伤重身死，其部溃散，李自成率领两万余人的残部撤回西安。而多铎得知阿济格撇下李过，绕路兼程赶往西安和他争功之后，也顾不得自己的军队经过七场血战后损耗严重，下令只休息两天，一月十六日一早就出发向西安进军。回到长安的李自成面临艰难的抉择，是据城防守，还是撤离保存实力？
对于李自成来说，该如何选择一目了然，任何守城战的胜利都建立在有强大的援兵的基础上，如果李自成困守西安，该指望谁来给他解围呢？是南京的弘光朝廷还是张献忠？实际上在潼关战役前，李自成就已经做好了放弃西安的心理准备。皇后高桂英、丞相牛金星在西安坐镇，谋士宋献策和顾君恩则把留在西安的老营家眷和物资秘密向襄阳转移。如果潼关之战的结果是李自成获胜，不过空折腾一趟而已，就当是为将来平定湖广、收拾左良玉做准备了，但如果李自成在潼关落败，这些准备就非常必要了。
李自成曾经多次被明军追杀得离开陕西，比如说左光先和马科，就都达成过“把李自成赶出陕西”的成就。李自成并非没有遭受过更严重的挫败、更惨痛的损失，但那时的他只不过是一介流寇，所作所为都只为了在乱世中求生而已。现在的他是大顺皇帝，身上肩负着半个中国的担子，他的胜利或失败，将会改变亿万人的命运。当身后有一个国家、一个朝廷，他就不可能再像过去那样以十八骑逃亡而后东山再起了。当了皇帝，就只有胜利和死两条路可以走。没有人会承认一个失败的皇帝，没有人承认的皇帝就不会再有权力，流寇获得了权力可以变成皇帝，皇帝却不能交出权力再去当流寇。
李自成隐隐感到，这可能是他最后一次离开自己的故乡了。