明清在关外对峙时期，吴三桂作为一个明朝将领，虽然参加过一些战斗，但是败多于胜，过大于功。然而，出人意外的是，在明末清初政治形势急剧变化的时刻，他却在各种政治势力之间屡行投机，左右逢源，一跃而成为政治舞台上的一颗“新星”。
首先，明朝中央政府对吴三桂表示了特别的重视。到崇祯十七年（1644）初，在经过与李自成起义军的长期战斗之后，明军主力损失殆尽。此时，李自成起义军又师出西安，北渡黄河，很短时间内，连下临汾、太原、真定、宣府、大同，矛头所向，直指明朝政府的京师——北京。面临覆亡命运的明朝便把赌注押在了关外拥有重兵的吴三桂身上。不少朝臣如王永吉、吴麟征等先后上疏，要求撤宁远之师以入卫京城。在这种舆论的推动下，崇祯皇帝先是于二月间召见吴三桂的父亲吴襄，询问吴三桂的兵力情况并将吴襄提升为中军府都督，而后，又于三月五日将吴三桂加封为平西伯，飞檄急调其入卫京师。一时之间，朝野舆论几乎一致把吴三桂看成是挽救明皇朝的唯一救星了。
在吴三桂接到撤离宁远的诏书之前，由于去秋中后所、前屯卫、中前所三城的失守，宁远早已是处于清军包围下的一座孤城。为了保住自己的身家性命，吴三桂已有弃守宁远之意。因而，在北京发出撤兵通知后，不过十天，吴三桂便已将宁远兵民五十万众撤至山海关。接着，又自山海关率师进京，二十日抵达永平。但是，就在此时，北京形势发生了翻天覆地的变化，腐朽透顶的明皇朝未待吴三桂率师至京便已于三月十九日被李自成起义军推翻了。明朝的灭亡使吴三桂失去倚靠，为了寻找新的主人，此后一个多月的时间里，吴三桂便在各种政治势力间进行投机活动。
永平和北京之间相距数百里，吴三桂于三月二十三日抵达蓟州时始得知李自成进京和崇祯皇帝吊死的消息。不久，在京的绝大多数明朝官员投降李自成的消息也纷纷传来。面对敌我悬殊的军事、政治形势，为了保住自己的特权地位，吴三桂最初决定投降李自成，恰在此时，李自成派来的招降人员李甲、陈乙也到达吴三桂军中，吴三桂遂“决意归李”，率领所部继续西进，并且还于所过途中，大张告示，宣称进京“朝见新主”。几天以后，李自成在致左良玉等人的檄文中也声称：“唐通、吴三桂、左光先等知天命有在，回面革心”。可见，在李自成进京之初，吴三桂确曾投降过李自成。
吴三桂之“决意降李”，并非是其立场的转变，而是在敌我形势悬殊下的投机之举。他希望自己的投降至少可以保证已有的特权和在京家小财产的安全，也许还抱有充当新王朝的佐命功臣的幻想。但是，农民军进京以后的革命措施使得吴三桂的这些幻想成了泡影。就在吴三桂刚刚决定投降李自成并向北京派出约降使者不久，从三月二十五日开始，农民军领导人刘宗敏、李过等便开始了对俘获的明朝在京官员进行拷夹、追赃等行动，吴三桂的父亲吴襄也在被拷夹之列。这一行动，触犯了官僚地主阶级的切身利益，诋毁、攻击农民军的流言蜚语开始像瘟疫一样从北京传往外地。吴襄也私下致书吴三桂，要他“亟来救父”。两三天后，这些消息和吴襄私函一起到达了正在西进的吴三桂军中。这对吴三桂的降李活动来说不啻是当头一棒。带有戏剧性的是，就在吴三桂得知其父被拷夹的同时或稍早些时候，李自成也注意到吴三桂对巩固自己政权的重要性，指示刘宗敏释放吴襄并命吴襄写信，劝告吴三桂投降。同时，又派出了降将唐通、降官王则尧、张若麒、左懋泰等人携带吴襄手书和大批银两直至吴三桂军中，进一步劝其投降。从时间上来说，这批招降人员到达吴三桂军中的时间仅比吴襄致吴三桂的私函晚到一两日（约在三月二十九日左右），而两封信的内容却截然相反，这不能不使吴三桂认为李自成的招降不过是一场骗局，是想诱己进京再行消灭。因此他立即停止西进，率部重返山海关。在致父吴襄的复信中表示与李自成的决裂。
促使吴三桂降而复叛的还有一个陈圆圆被掳的问题。明末清初的不少史书都记载，甲申之变时，陈圆圆在北京被李自成的重要将领刘宗敏所占有，吴三桂得知后，盛怒之下叛李降清。这些记载，把对一个女人的争夺作为吴三桂叛李降清的主要原因，显然是失之片面的。但是，这一事件的确触发了吴三桂的感情。明末，封建士大夫不惜重金购置美妾已成为一种风气。陈圆圆既是吴三桂以千金之资所购得，而他本人又是拥兵数万的封疆大吏，在自己的这一特殊财产受到侵犯之时，他在感情上无论如何是不能与之合作的。因此，否认或是忽视陈圆圆被刘宗敏所掳掠这一事件对吴三桂举兵反李的作用，也是失之于片面的。
在政治上和李自成相决裂使得吴三桂处于腹背受敌的局面。山海关之西，李自成重兵近在咫尺，一场恶战迫在眉睫。山海关之东，又有日益逼近的宿敌强大的清兵。降李的道路既已堵塞，为图本身生存之计，吴三桂被迫把目光转向了雄踞东北的清朝政权。
就当时形势而论，吴三桂投向清朝虽然是势所必然，但是将这一设想付诸实行仍然有许多现实的困难。首先，几十年来，明清两个政权一直处于严重的军事争战状态，不独那些战败降清的军政要员如洪承畴、祖大寿等为士林所不齿，就是那些主张停战议和的大员如杨嗣昌、陈新甲等也为此饱受唾骂，现在自己却要去步这些人的后尘，会不会因此而给李自成政权制造一个动员各阶层人士讨伐自己的口实？其次，由于两个政权长期仇杀，自己军队中的仇满情绪也是相当强烈的，此刻，自己在政治上倒向清朝，会不会引起部队的哗变？还有，皇太极在世时，曾对自己多次劝降，却都被拒绝，当此穷蹙无路的情况下贸然求救，清朝会不会答应，会不会烧香引鬼而使自己处于更加困难的境地？为此，吴三桂先在三月底和李自成决裂之后制造了他和清兵联合入犯的假军情，以试探包括李自成政权在内的各阶层的反应，其后，又到处散发传单，大造复辟舆论，宣扬“周命未改，汉德可思”，“试看赤县之归心，仍是朱家之正统”，并煽动在京的士绅官僚为崇祯帝服丧。在他确知前者并未引起各界人士的恶感而后者却得到了大部分亡明官僚士绅甚至部分儒生的同情或支持后，四月初十左右，吴三桂才开始了他的联清击李计划的实施。
吴三桂致多尔衮的第一封求援信，表现了他最初对联清击李这一重大问题的基本立场。在此信中，吴三桂屡称明朝为“我国”、“我朝”，称清朝为“北朝”。也就是说，吴三桂是以明朝臣子的身份向清朝求援，请兵之目的是 “灭流寇”，并使明朝得以“中兴”，而不是让清入主中原。在消灭农民起义军之后，将以“子女玉帛”和部分土地作为对清朝出兵的酬谢和报答。在清军进关路线问题上，吴三桂要求清兵“直入中协、西协”，而他本人却“自率所部，合兵以抵都门”。即是说，只允许清兵从喜峰口、龙井关、墙子岭、密云等处进入明境。这些地方，既是以往历次清兵进入内地之旧路，又是目前李自成大军驻扎之处。按照这一规定，不但可以保护自身安全，防止清军乘机行其假途灭虢之计，而且还可以促使清军与李自成主力进行火并，他自己可坐收渔翁之利。这就是吴三桂最初实行的联清击李的政策。因为当时山海关形势虽然紧张，但李自成大军尚未东行，吴三桂尚未到达山穷水尽的地步，他对清仍心存疑惧。很快，就在吴三桂派出的使者携带书信刚刚出发时，李、吴军事对峙形势又有了新的发展。在吴三桂于四月初连败降将唐通、白广恩之后，李自成开始注意到山海关方面局势的严重性，便对吴三桂施加更大的军事压力。四月初六日，李自成增派万人东援并运大炮出城，两天以后，又“发数万骑东行”。这些消息，当在十日前后传至山海关。李自成大军东来，山海关将作为主要战场。这样，清军即使从中协、西协等处入境也解救不了吴三桂即将覆亡的命运。在形势的逼迫下，吴三桂被迫改变初衷，由不许清兵自山海关进关转而迫切要求其自山海关进兵，以与即将到来的农民军作正面的交锋。据《沈馆录》卷七载：吴三桂使者转达了他的紧急请求：“贼锋东指，列郡瓦解，唯山海关独存，而兵弱力单，势难抵挡。今闻大王业已出兵，若及此时促兵来救，当开山海关门以迎大王。大王一入关门，则北京指日可定，愿速进兵”。清军主帅多尔衮接受了他的请兵，“即遣学士詹霸、来衮往锦州，谕汉军赍红衣炮，向山海关进发”。次日，多尔衮所率的全部军队也转向山海关进发。这说明，在清兵入关路线问题上，由于李、吴军事对峙形势的变化，吴三桂临时改变了决定，而这临时作出的新决定，是由使者代为口头转达的。
长期以来，山海关一直是清军入关作战的重要障碍，此次多尔衮率师入境，最初，其行军路线也仍是走密云、蓟州。此时，吴三桂却请求主动献关，这对清军来说，是提供了极大的方便。所以一接到吴三桂的来信，多尔衮便立即决定全部军队折而向南。次日，又迅速复信吴三桂，告以共捐前嫌，许诺“封以故土，晋为藩王”，“世世子孙，长享富贵”。为了共同镇压农民起义军，清、吴之间的联合阵线就这样初步形成了。
在吴三桂派出求援使者不久，四月十三日，李自成亲率六万大军奔向山海关。此时，被年初以来的一系列胜利冲昏了头脑的李自成，对当时军事对峙的严重性是估计不足的。在他看来，不但自己的军事实力远远超过吴三桂，而且吴三桂的父亲吴襄及其家属也都控制在自己手中。吴三桂不是在大兵东向途中卷甲归降，也一定会在战争中被轻而易举地消灭掉。对于吴三桂勾结清兵入关的现实可能性，则更是连想也不曾想。因此，在大军出发之时，他还携带了崇祯帝的两个儿子和吴襄随行，把政治上招降吴三桂作为此行的主要目的。李自成的这种轻敌麻痺思想和政治解决的幻想正好被吴三桂所利用。他得知李自成亲自率军东征的消息后，随即派出了山海关士绅、儒生李友松、谭邃寰、刘泰临、刘台山、黄镇庵、高选等六人“轻身绐贼”，迎候李自成大军于北京之东不远的三河县，表示投降之意，以拖延时日，等待清兵。在派赴清军求援的使者携带多尔衮的复信返回山海关后，吴三桂马上又致书多尔衮，求其“速整虎旅，直入山海”。李自成直至行抵关门之时，吴三桂派去接洽投降的代表妄图脱逃，才发现吴三桂假投降的真实意图，但已贻误了轻兵速进夺取关门的有利时机。而多尔衮却在接到吴三桂的二次求援信后，经过一昼夜的强行军，于二十一日抵达关门十五里之外。这时，吴军已与农民军在石河战斗了一天。李自成未能在清军到达之前攻下山海关，已使自己处于被动地位，清军的到达更使清、吴联军在数量上超过了李军。这样，尽管两军尚未交锋，但战争的胜负已经大致决定了。
四月二十一日，清军抵达关门附近的当夜，便开始进行紧张的战斗部署，“夜半移阵骈阗之声四面皆至”。清军统帅多尔衮利用吴三桂所处的危急局面，逼迫吴三桂放弃联清击李的政策而彻底投降清朝。出于这一目的，次日平明，清军进迫关门前五里许，“即顿兵不进”。“驻兵欢喜岭，高张旗帜以待”。此时，由于连日以来农民军所发动的强大攻势，山海关已危在旦夕，吴军内部也出现了瓦解的迹象。在这万分紧急的时刻，吴三桂得知了清军到达的消息，马上“遣使往请，九王犹未之信，请之者再三，九王始信，而犹未及行”。吴三桂初次遣使往请，多尔衮顿兵不进，固然是因为不明吴三桂之真意和城中之虚实，是一种军事上的持重。而在“请之者再三”亦即了解了上述情况后，仍然观望，则显系借机逼迫吴三桂作出更大的让步。果然，在生死存亡的关头，在清、吴之间“往返八次”之后，吴三桂又向清军作出了新的让步，这就是剃发归顺清皇朝和割让包括北京在内的黄河以北的大片领土。在此同时，吴三桂也提出了“毋伤百姓，毋犯陵寝，访东宫及二王所在，立之南京”，作为允许清兵入关的条件，并得到了清军主帅多尔衮的同意。这样，一方面是吴三桂在政治上降清，一方面清朝又允许其拥立明朝故太子。尽管这一约定的两个方面是直接矛盾的，但却是清、吴联合中的新突破，对于击败李自成农民军起了重要的保证作用。
清军入城后的当天下午，清、吴联军和李自成为数甚少的农民军交战于山海关外的一片石。次日，四月二十二日爆发了决定命运的惨烈的石河大战。根据清、吴双方的约定，首先由吴三桂率领所部和李自成大军作正面交锋。在战斗进行到最紧张的时刻，清军突然从阵后绕出并向李军发动了猛烈的进攻。李自成事先对清军入关毫无所知，兼之以连日作战，李军士气也处于再而衰的境地，虽然拚命搏战，最终抵挡不住清、吴两军的凶猛攻击，遭到严重的损失，“积尸相枕，弥满大野”。农民军被击败了，李自成被迫率余众西走。决定三方命运的山海关之战就以清吴联合作战的胜利和李自成农民军的失败而告结束。
自明初以来，山海关一直是北京的门户和屏障。关门既已为清、吴军所有，北京即告危急。在军事上异常被动的形势下，李自成被迫西撤，途中，将吴三桂父吴襄及家属三十余口全部杀死。二十六日，返回北京，二十九日草草即位于武英殿，三十日晨，仓皇撤离北京，率军西行归陕。与此同时，清、吴联军紧追不舍，长驱直入。五月二日进入北京，不久宣布迁都于此。这样，以吴三桂献关降清为转折点，中国社会开始进入了一个新的时期。而吴三桂献关降清为清进据中原提供了极大的方便，吴三桂也因此得到了新主人的最高奖赏：山海关之战刚刚结束，摄政王多尔衮即于军中承制，给吴三桂进爵为平西王。他请兵击败李自成，实现了亡明士大夫的共同愿望，又得到了南明政权的赏识：南京福王政权建立伊始，便将他遥封为蓟国公，还派专使北上，携银犒军。一时之间，吴三桂这样一个在政治漩涡中挣扎图存、反复投机之人，竟然被戴上了“纯忠极孝、报国复仇、裂土分藩”的“世间伟人”的桂冠，成为了明清之际风靡一时的人物！