孙传庭自“柿园之役”败回关中后，积极整军备战，然而陕西早已民穷财尽，实在无力负担浩大的军费开支。
老百姓拿不出钱粮来，孙传庭无奈之下，只得动辄以军法从事来要挟地方官吏催逼，即便这样，还是榨不出多少钱粮。不得已，找大户人家捐助吧，这帮人在朝廷里都是有后台的，于是孙传庭在京城里的名声就很不好了，叫做“秦督玩寇”。
崇祯十六年的六月，被心急的皇帝催得快要抓狂的孙传庭，顿足长叹道：“奈何乎？吾固知往而不返也。然大丈夫岂能再对狱吏乎！”我也知道备战不充分，此行凶多吉少。但大丈夫岂能一而再、再而三地去和狱吏对簿公堂！“孔曰成仁，孟曰取义，事已至此，虽万千人，吾往也！”八月一日，他在西安关帝庙誓师；十日，率十万水分很大的“大军”出潼关。临行，他与夫人诀别，孙夫人毅然道：“丈夫报国耳，毋忧我！”
孙传庭虽然抱定了必死的决心，但多少还有点尽人事而听天命的幻想。除了他手下的牛成虎、高杰、卢光祖等人外，他还征调了白广恩自新安来会，并命四川秦翼明出商、洛，河南陈永福出洛阳，左良玉部西上夹击李自成。另外，他也有一张好牌，那就是李自成兵政府侍郎丘之陶暗通官军。此外，明军还装备了三万辆“火车”和大量先进火器，这也算是有利条件之一。
八月中，孙军收复了没有多少兵力防守的洛阳，有人建议修复洛阳城墙，将其建为一个坚固的据点。孙传庭道：“我们不出关，犹为万全，今既出关，已无万全可言了！”颇有风萧水寒，壮士不还的慷慨悲壮。九月八日，孙军进抵汝州，李自成部将，绰号四天王的李养纯投降，带来了重要情报：诸贼老营在唐县，伪将吏屯宝丰，自成精锐尽聚于襄城。
孙传庭依照情报，迅速督大军攻克宝丰，擒杀李自成委派的州牧陈可新。然后袭占唐县，将俘获的李自成军家属全部杀掉，李自成军得到消息后，全军痛哭，斗志高涨。此后连日大雨，官军粮草不继，但在孙传庭的率领下，仍然攻破郏县，并与来援的李军万余精锐会战获胜，擒李军果毅将军谢君友，斫断李自成坐纛，几乎擒获其本人，李退往襄城。这一阶段，官军取得了一些胜利，但补给不畅，兵力单薄的劣势仍未能改变。九月中下旬，他的内线丘之陶事泄被杀，连情报也断线了。
九月十七日，留守汝州的明军部队因粮饷不继哗变，孙传庭被迫回军就粮，并平定叛乱。李军乘势追击，双方主力会战于南阳附近。李自成军列阵五重，最外层是新降附的饥民，其次是步兵，再次是骑兵，再次是精锐骑兵，最内层是老营和家属。明军陷阵力战，攻破李军三层阵线，与李军精锐骑兵殊死拼杀，双方胶着不下。
饥饿的明军未能持久，阵型开始扰动。白广恩的火器营官兵大叫“师败矣！”将火器车辆推倒，骑上牵引车辆的马匹逃跑。倾覆的车辆堵住了其他部队撤退的道路，李军以铁骑冲杀践踏，步兵则以白棓（一种粗大的木棍，易于新手掌握，不需要太多技巧，只要有蛮力气就好用）猛击，不少官兵被连盔带头地敲碎。李自成的骑兵紧追不舍，一天内追杀了四百里地，直撵到孟津。明军死者四万余人，丧亡兵器辎重数十万。孙传庭的督师坐纛，也在逃跑中丢给李过的追骑。
明朝最后一支主力部队，就此覆亡了。得人心者得天下，你以为人心是什么？人心，就是粮食，就是情报，就是源源不绝的后备兵员，就是李自成输得起十回八回而孙传庭一回都输不起。
十月七日，李自成军大举攻潼关，从间道绕到关后（大概就是黄巢当年走的“禁坑”），夹击明军。李过以缴获的孙传庭坐纛骗开潼关城门，大军蜂拥而入。
就这样，这座雄关又一次被攻破了。
孙传庭收拾溃逃的部下，向渭南撤退，在路上被李军追及，他和参军乔迁高跃马大呼，率残兵冲入敌阵中，奋战阵亡，连尸首都没能找到。这一年，孙传庭五十一岁。可崇祯却认为他大概是诈死潜逃了，没有给予赠荫。赠，就是授予死去的功臣一个名誉官位；荫，就是朝廷为照顾功臣的子孙，授予一定的官职或其他优厚待遇。
《明史·孙传庭列传》评价道：“传庭死而明亡矣。”让人心酸的是，以官方定论承认孙传庭在明季乱局中起到重要作用的，竟是他的敌对方清朝。
李自成随即于十月间攻破了西安。孙夫人张氏惧辱，率孙家二女三妾投井自杀，孙传庭年仅八岁的小公子孙世宁被一老翁收养。孙家长子世瑞听说变故后，偷偷跑到西安，埋葬了夫人，找回了小弟弟。两兄弟相扶携还，一路之上，无论相识与否，见到他们的人都不禁为之泣下。
西安是朱元璋二儿子秦王一脉的封地，西安城破后，秦王朱存枢投降，李自成倒也没为难他，还礼节性地封他为权将军。李自成刚入西安，曾经放兵大掠三天，后在牛金星的劝说下，才下令不得妄杀一人，违者以主管将吏偿命。同时积极练兵筑城，李自成本人每隔三天就亲自去校场校射。
在经济上，李自成开始感到有些困难，虽然秦王府中有大量银两粮食，但毕竟坐吃山空，“三年不征”固然可以赢得民心，但同时也断绝了军队的经济来源。
数十万大军要吃饭啊！
为解决经济困难，李自成军采用了流寇的老本行，史称“追赃助饷”。李军召集大小官员、富家大族开会，号召他们捐献钱财以资军用，按官衔家世区别，分别开列不同的价码。不能如数交纳的，则抓起来严加拷掠，许多人被拷打致死，以一大坑埋之，家人连尸首都找不到。
李自成同时分兵四出，追剿明军残部。明将白广恩、左光先、陈永福、马科、牛成虎等人见大势已去，都相继投降了。陈永福因为曾射瞎李自成一只眼睛，本不敢投降，李自成折箭示信，表示不计前嫌，并封他为文水伯。除在榆林城下遭到了坚强抵抗外，李自成军很快占领了陕甘宁夏等地。此时，中国的西北角几乎全在他掌握中了。
崇祯十七年元旦，西安城大雪，日月无光；北京城则是沙尘暴，咫尺不见人。
李自成本拟在这一天登基称帝，但糟糕的天象搅坏了他的兴致，幸亏有人及时献上一副对联，叫做：“风云有会扶真主，日月无光灭大明”，这才算是圆了场。但这一天，李自成也只是随便走了个过场，建国号“大顺”，年号“永昌”。他本人并没有正式称皇帝，仍称“顺王”。以西夏始祖李继迁为太祖，并追尊曾祖以下先人。
北京的崇祯也过得不开心。这一天，来朝贺新年的文武官员集体迟到，还站乱了朝班——文官站到武官列中，武官窜到文官队里。据说这一天，遥远的凤阳，也发生了地震。这不是一个吉利的兆头，冥冥似乎在预言这一年的血光之灾。
这一年，是西历的一六四四年，农历甲申年，所以这一年的天翻地覆，史称“甲申之变”。