交水大捷后，李定国“宴饮恬愉，颇弛武备”。由于狭隘的派性作怪，其大搞“论功行赏”，“以收获孙可望之兵曰‘秦兵’，滇省旧兵名曰‘晋兵’，是孙可望之兵心懒矣”。同时对刘文秀收编孙可望溃卒三万“练以备边”之事，也“不悦”，“召之还”，使文秀“郁郁不自得”而死，严重削弱了战斗力。
孙可望投降后，向洪承畴“献滇、黔舆地图，并陈其进取状”，使清军摸清了底细。顺治十五年（永历十三年，1658）二月，清廷决定分三路大军攻贵州：平西将军吴三桂同都统李国翰领北路军从四川进攻，征南将军卓布太领南路从广西进攻，靖寇将军罗托同大学士洪承畴领中路，从湖南进攻。本来大西军应针锋相对，可此时李定国正在永昌镇压王自奇、关有才叛乱，无暇反击，致使吴三桂陷遵义，罗托克贵阳，卓布太占独山，构成对云南的严重威胁。
七月，永历帝任命李定国为招讨大元帅，他才开始部署反击。首先他致书李来亨，让夔东十三家围攻重庆，牵制湘楚，然后派冯双礼、祁三升据贵阳附近鸡公背，拒敌中路，派李承爵壁垒普安黄草坝（贵州兴义），拒敌南路，派白文选据遵义孙家坝，拒敌北路。这一部署纯属消极防御性质。当时形势是，清军初入贵州，力量分散，如果李定国能集中兵力，攻破一路，战局可以扭转。可惜他犯了一个严重的战略错误。在指挥上，李定国也中了洪承畴的计。当冯双礼要求增兵入黔，出击贵阳时，李定国曾接到洪的来信，称：“某本待罪先朝，志切同舟，惟俟吴王（指三桂）之至，合兵以听指挥，无烦王师远出也。”他居然听信了这套鬼话，延缓增兵，贻误了战机。八月，李定国才率师东进，又赶上雨季，日行止一二十里，士气低落。相反清兵得到喘息之机，实力增强，开始攻滇。
九月，清廷增派信郡王多尼为三路统帅，进趋云南。至十一月，中路多尼部败冯双礼于鸡公背，陷安庆、曲靖。北路吴三桂都败白文选于七星关。南部卓布太部逼凉水井，陷安隆，李承爵战死。定国闻讯，亲率主力三万人与卓布太决战。双方在炎遮河双河口摆开战场，激烈的盘江大战开始了。农民军英勇阻击，初战告捷。第二天，清军倾巢出动，大西军疏于防备，又刮起北风，金枪失火，燃起山茅野草，清军乘火势猛射，致使农民军全线崩溃。清军攻破了李定国的罗炎、凉水井大营，“僵尸遍野，腥血成渠，兵民死事不下三、四十万人”，李定国的妻子家属均被卓布太抓获处死，十一年来身经百战磨练出的精锐部队受到致命损失。但是，这令人痛心的事实，并未使李定国气馁，他说：“事既如此，夫复何言，惟本此孤忠，死而后已。”表现了他绝不屈服的性格和斗志。
十二月十三日，李定国退回昆明，永历帝召开御前会议，研究今后出路。讲官刘范主张按刘文秀遗表行事，入巴蜀，“以就十三家之众，出营陕洛”；李定国提出撤入“湖南之峒”，“胜则六诏复为我有，不胜则入交趾，召针罗诸船，航海至厦门，与延平王（郑成功）合师进讨”。均主张先转移，再图恢复。但永历帝的臣僚多为滇人，不愿离开家乡，勋臣沐天波、权臣马吉翔便力主退守滇西，一旦事急则逃入缅甸，永历帝表示同意。李定国“军行进止，一以诏敕从事”，并不敢坚持己见，只是对沐天波说：“公其努力，愿无生后悔而终忆余言也。”
十五日，永历小朝廷西逃。事先李定国发布文告：“本藩在滇多年，与尔人民，情均父子，今国事颠危，朝廷移跸……尔等宜乘本藩未行之时，各速远遁，毋致自误”，劝百姓疏散。并命令各营“不得毁其仓廪，恐清至此无粮，徒害我百姓”。一路上他还收抚难民，体现了淳朴爱民的本色。
顺治十六年（永历十三年， 1659）正月初三，清兵会师昆明，又立即紧追不舍。为了保护永历帝脱离险境，李定国命总兵靳统武领兵四千护永历帝奔腾越（云南腾冲），自己则率精兵六千留永昌（云南保山）阻击。二月，吴三桂又在大理败白文选，气势汹汹追来。李定国决心打掉敌人的锐气，全歼追兵，策划了他生前最后一次激烈的战斗——磨盘山战役。
永昌境内的磨盘山“内箐深屈曲，仅容单马”，“定国筑栅数道，左右设伏，大营屯山后四十里橄榄坡，炊食饷伏，令毋见烟火”。他估计吴三桂必无戒备，便以窦民望为初伏，高文贵为二伏，王国玺为三伏，清军进入三伏，“首尾横击之，片甲不令其逃也”。果不出料，二月二十一日，吴军追来，其先锋已进入二伏，却节外生枝，南明光禄寺少卿卢桂生潜出告密。吴大惊，急令后撤，并炮击左右伏兵。农民军出伏作战，“短兵相接，自卯至午，僵尸堵叠”。
磨盘山战役是一次可歌可泣的战斗，有三分之二的战士战死，清军也“死伤甚众，却三十里”，包括固山额真沙里布在内的十八名将官都统被击毙。南明遗民刘彬诗曰：“凛凛孤忠志独坚，手持一木欲撑天，磨盘战地人犹识，磷火常同日色鲜”。李定国卓越的指挥才能和顽强果敢的斗志，使清军再不敢骄横穷追。
可是永历帝在马吉翔挟持下，从腾越逃入缅甸，从此与李定国、白文选失去联系。三月，定国、文选相会于木邦（缅甸新维），商议今后去向。李定国认为：“我若入缅，缅苦供馈，必见拒，击之祸结，盍择险要边土，休士马，相犄角，缅外惮吾二人，君在内可无忧；且得阴连诸土司，觇云南动静。”白文选则说：“并在外则内危，我入卫上，王任外事。”两人意见不和，便各自行动。
磨盘战役后，李定国余众不过数千，势力窘迫。不久，贺九仪从广南率万人来会合，祁三升、魏勇等均率部投归，军势稍振。李定国将大营移孟琏（云南澜沧），“多造印敕，遍结土司”，号召共同抗清。沅江土司那嵩起兵响应。李定国部坚持数月，被清军攻破，又移营孟艮，招安头人，“耕种纳粮如郡县例”。
吴三桂见无法扑灭大西军，又采取招降措施，一时农民军中不坚定分子纷纷投降。顺治十七年三月，吴三桂用贺九仪妻子劝降，贺“将出降，定国杖杀之”，从此无人敢言降字。
李定国始终忠于永历帝，曾连续上疏三十余封都石沉大海。直到七月，白文选强攻缅都阿瓦失利回来，白、李才了解真相，决定攻缅抢出永历帝。九月，两人分别入缅。至十一月，定国大败缅军，提出“苟送上出，则我罢兵”的条件。缅则回答：“你要攻城也无妨……只是你们水土不服，兵亦有减无增，我不怕。”翌年二月，白、李又合兵入缅，缅集众十五万，巨象千余头来战。二人奋力苦战，大败缅军，渡锡箔江临金沙江窥缅城，缅甸仍不交出永历帝。李定国只得派兵造船渡江，五月又被缅兵捣毁船厂。李定国大怒，围困缅城，不料军中“老幼累累，军饥疫作，死亡相继”，不得已移军亦渺赖山下。八月，两人又分兵攻缅，但出师不利，十六舟有五舟被击沉。在缅甸他们亦得知吴三桂已大举攻缅，缅杀害永历从官四十余人，白文选部情绪低落。是月中旬，张国有、赵得胜劫持白文选欲降清，离开李定国。李定国子嗣兴准备堵截，李定国不忍双方自相残杀，命放还，率本部独进洞乌。
十二月，李定国又准备再度攻缅，忽闻缅王已献永历帝于吴三桂，“愤懑欲绝，曰：‘势既不敌，追无能为’”。移营景线。但到康熙元年（1662）四月，他又抵勐腊，遣官入车礼（西双版纳）借兵，企图东山再起。五月，礼部侍郎江国泰说服暹罗（泰国）与定国联姻，帮助象马，恢复云南。蜀人马九功也从古剌返回，“云已集四千人，愿为犄角”。正当李定国欲图大举，不幸军中瘟疫流行，人马病死甚多。定国修表告天，祈求：“如大数已尽，乞赐定国一人早死，无害此军民。”
六月十一日，李定国正逢四十二岁诞辰，突然发病，接着又传来永历帝于四月初八被吴三桂绞杀的消息。“定国恸哭发丧，命军士缟素”，他“披发徒跣，号诵抢地，两目皆血泪”，大哭道：“恢复事尚可为乎？负国负君，何以对天下万世！”六月二十七日夜，定国死于勐腊（一说景线），临终前还嘱咐儿子及部下：“宁死荒外，勿降也！”
气节满荒徼，浩气贯长虹。李定国死后，部下有数千人不降，聚于阿瓦河东百里，称为“桂家”。勐腊各族人民亦奉李定国为神，过晋王墓均膜拜。并于后山复建“汉王庙”，每年春节进行隆重祭祀。