北京是明朝都城所在地，是明王朝的政治中心和軍事中心。明王朝苦心經營了230餘年，建立了內外結合多層次的嚴密的防務體系。明代於昌平、保定設立二總督，在寧遠、永平（今河北盧龍）、順天、密雲、天津、保定設立六巡撫，還在寧遠、山海、中協、西協、昌平、通州、天津、保定八地設立總兵，均有重兵屯駐。這是京師的外部防務體系。而北京的宮城、皇城、內城、外城組成的城防，則是設立在京師城內的防務體系，這種內外結合，可以說是星羅棋佈，無地不防，嚴密而又完整。
李自成進軍北京的計劃原是兵分兩路，一路由他和劉宗敏率領是主力，另一路由大將劉芳亮率領是偏師。攻克太原後，他依據當時的形勢，在兵力部署上作了區域性的調整，從他所率領的一路中分出一支，由大將任繼榮率領，東出固關，進入冀中，去打真定，這樣就形成了以李自成為主力的北路大軍，以劉芳亮為偏師的南路軍和以任繼榮所部為偏師的中路軍三路並進的格局。
北路大軍在李自成指揮下，攻克大同、宣府後，直趨居庸。居庸關位於昌平西北24裡，距北京60裡，是北京的北大門，號稱北門鎖鑰。關門南北兩口，兩山夾峙，懸崖峭壁，稱為絕險。大有一夫當關，萬夫莫開之勢。自北而南，分別由岔道城、居庸外鎮（八達嶺）、上關城、中關城（居庸關）及南口五道組成完整的防禦體系。永樂二年（1404年），在此設衛，下轄五個千戶所，以加強京師北面的防務。就在大順軍攻取居庸關之前夕，太監王承恩從加強京城防守著眼，也提出守城不如守居庸關的主張。崇禎帝採納了王承恩的建議。六日，增派唐通率兵8000人去守居庸關，同時派太監杜之秩進行監督。這是崇禎帝為加強北京防守所採取的又一重要舉措。在此期間，進士程源曾經上書給輔臣魏藻德請求加強居庸關的防守。他說：“其標下總兵馬科見兵萬人，命速赴居庸與唐通協守，猶可以鎮撫萬一。”薊遼總兵王永吉也上疏請求嚴居庸關守禦。唐通奉命於八日率兵增援。由於明朝的增援，居庸關城的守備得到了加強。但對通往關城的柳溝則以為地形險要，不派一兵一卒設防。大順軍將領李牟率部自宣府北上，歷懷來，依據獲得到的情報，避開與明守軍正面交手，採取智取，利用明朝防守居庸部署上的弱點，出其不意地穿過地勢險要的柳溝，突然降臨居庸關下，叩關叫門。守軍茫然不知所措。有記載說：“時賊將方戰，忽營中突出一虎，東西衝躍，所至披靡。唐通驚僕，被虎擒齧，賊眾四合，是虎即以皮卸下，乃賊將谷大成偽扮者，通就執乃降。”當然，這不是歷史的真實，可也多少影射出李自成軍到達居庸關是沒有經過激烈的戰鬥就拿下了關城。城內守將總兵唐通與鎮守太監杜之秩開門迎降。巡撫何謙見此情景，急忙出逃。總兵馬岱殺死妻子前往山海關投奔王永吉，王永吉六神無主，於是出關投向吳三桂。大順軍的這一勝利，震撼畿輔。有評論家說：自是“真定、保定、大同皆不守”。不僅起到了震懾作用，瓦解了明軍計程車氣，也解除了來自北部的明軍增援京師的威脅，使京師坐困其掌中。
李自成據有居庸後，命令大軍繼續乘勝前進，同時派人持牌遍傳遠近各州縣鄉鎮，申明大順軍的政策：“知會鄉邨人民，不必驚慌，如我兵到，俱公平交易，斷不淫汙搶掠。放頭銃，要正官迎接；二銃，鄉官迎接；三銃百姓迎接。”這一行牌收到了立竿見影的效果，京西地方官吏見大勢已去，或降或逃，聞風而解體。
當天午間，大順的先遣部隊經紅門川到達昌平。昌平位於太行山與燕山交會處，是北京的天然門戶，素有京師之枕、甲視諸州之稱。距北京約120裡。這裡是明皇陵所在地，明朝永樂以來皇帝陵墓都在這裡，是明朝設防的重點地區。明朝在這裡設立總督、巡撫與總兵，佈陣四萬，嚴防固守。然而，由於缺餉，士兵生活得不到保障，六天之前，不堪忍受飢餓的守軍舉行兵變。官衙民舍，被搶掠一空。雖然很快被平息了下來，但土兵元氣大傷，兵將關係十分緊張。他們對明王朝已經失去了信心，都不願意去為朝廷賣命。他們與當地民眾一樣，日夜期盼著大順軍來到來。所以，大順軍來到後，就勸守將總兵官李守鑠投降。李不甘心投降，可也無力與大順軍抗擊。守兵們就對他說：老爺不願降，我們就去了。李見軍心如此，回馬來到門房自縊而死。大順軍來到三里坡，當地的老人、生員在路旁等候迎接。劉宗敏率部來到時，昌平守兵恭誠跪迎，齊聲道：“昌平守兵降。”劉宗敏告訴他們說：“聖駕在後，準備接駕。”少頃，李自成也來到昌平。如此重要的戰略要地，就這樣，幾乎沒有經過大的戰鬥，僅半天時間，就輕而易舉地拿下了。訊息傳至京師，兵部尚書張縉彥派輕騎偵探前去打聽，回來的奏報卻是昌平軍兵無餉譁變，很快就被平息了。崇禎帝懸著的那顆心稍稍得以平息。沒有多久，昌平失守的正式奏報送到了御前，開啟一看，驚呆了，昌平已為大順軍佔領。而使他沒有想到的是，大順軍沒有在昌平駐足，連夜自沙河南進，直逼北京城下。
中路軍是煩軍自太原北上第四天，即十八日這天，由任繼榮率部東行攻下固關。固關是通往河北的重鎮。南面是楊莊口，北面是娘子關，中間有八處隘口。保定巡撫徐標十分重視這裡的防務，並親自來到這裡進行部署，堵塞了七個隘口，只留固關一口通行，並在緊要地方埋下地雷。大順軍一舉攻克固關，引兵東向，直通真定府。這裡是明總督畿南、河北、山東仍兼保定巡撫徐標的駐地。真定知府丘茂華準備向大順軍投降，先讓人將家屬送出城去。徐標察知後，立即將丘茂華逮捕下獄。副將謝嘉福乘徐標登城佈置防守事務時，出其不意，將徐劫出城外，殺掉。開啟牢獄，釋放了丘茂華。丘出獄後，向所屬州縣發出通知，歸附大順。二十三日，任繼榮派遣數人來到真定府，接受移交府庫的各種冊籍。真定府就這樣，沒有經過什麼戰鬥就順利據有了。真定府失守的奏報傳來，崇禎帝召見兵部尚書張縉彥，問道：真定陷，李建泰遇害卿知之乎？對曰：不知道。問：朕宮中皆知之，何諱也？對曰：臣未見塘報。又曰：真定城已失守，雖沒有塘報，卿也沒有派人前去探聽？對曰：派出偵騎須有工食，臣部錢無一緡，哪裡會有偵騎呢？
任繼榮奪取真定後，繼續北上，攻佔定州，直趨保定，與劉芳亮的部隊會合。
劉芳亮率領的南路軍於永昌元年（1644年）二月在蒲坂渡河，經平陽，越太行山，尾隨明將高傑，進入豫北清化鎮，高傑不敢與之戰，繼續南逃，穿過晉南，沿黃河北岸向東，到達濟源，黃河北部州縣大震。懷慶府大白天也關閉城門，不讓人出出進進。三日，懷慶守軍舉行兵變。福王朱由崧自洛陽失陷後，同母親一道逃至懷慶避難。十九日，大順軍逼近懷慶，朱由崧與其母匆忙向衛輝逃竄，母子二人剛出東門，就走失了。居住在府城的鄭王朱翊鐸不知所終。陳德是陳永福的兒子。陳永福是有名的將領，與陳洪範齊名，世稱南陳老花子者。陳德出身於將門，因有軍功升為副總兵。但他的部下素多驕橫，不守法度，唯有蘇京能夠駕馭。於是陳德與蘇京二人相互忌恨。此時二人同時投降大順軍。
幾年前，陳德參與開封守城，有說是他射中了李自成的左目，造成左眼失明。陳德降後，顧慮重重，李自成不計前嫌，依然用德為鎮將。陳德成為大順將領後，同劉芳亮一道投身於為順攻城略地的戰鬥。而對蘇京李自成則是另一種態度。李自成很看不起他的為人。說你是進士，投降就這麼容易嗎？讓他穿上婦人衣服，臉上塗脂抹粉，頭戴簪花，騎驢在城中游街示眾，以為笑料。又讓他身穿青衣，侍奉左右，他為了活命，醜態百出，居然奉命是從，了無怍色。後來，大順軍退走，他乘機逃脫。
懷慶府轄六縣，劉芳亮在此設定防禦使、府尹，並對所屬六縣派遣了縣令。接著，大順軍東進，直逼衛輝府。居住在這裡的潞王朱常淓與避難在此的福王朱由崧母子在大順軍還未到達之前，即在總兵卜從善的保護下，攜帶宮眷和寶器渡河南逃。只顧逃竄的明將高傑，在馬頭鎮與大順將領滿天星的部隊相遇，大驚失色，以為大禍臨頭，急忙率部東走一晝夜不敢停步。
長治古稱上黨，歷來是兵家必爭之地，明朝的沈王分封在這裡。劉芳亮向潞安進軍，潞安府縣的官員聞風而逃，當地士紳不禁嘆息道：“夫河東上黨，為古來用武必爭之地，而皆唾手得之，天下事不可為矣。”大順軍捉拿沈王朱迴洪，繳獲了宮中所藏大批金銀寶器。劉芳亮任命孫明翼為潞安防禦使，讓他負責追贓助餉，捉拿諸郡王宗室及鄉士大夫，嚴刑追逼，索取金銀，動以予萬計。
大順軍主力離開長治後，東下彰德府（今河南安陽），城守參將王榮領兵護送趙王逃走，為大順軍追兵追上，被俘後，拒不投降，與其子師易同時被殺。大順軍萬人東下，在水冶鎮遭到指揮同知高應詔的頑抗。先後在龍山、馬鞍山受阻，大順軍大隊人馬趕到，將高應詔團團包圍，高孤軍力戰，沒有救援，遂戰死於疆場。二十八日，大順軍攻取滑縣，進抵山東西部，迫近運河交通線上的濟寧。
劉芳亮留大將劉汝魁鎮守河南彰德府一帶地方，自己帶著部隊取道磁州（今河北磁縣），進入畿輔地區，迅速佔據大名府，廣平府（今河北永年縣）的明朝地方官逃竄一空。居住在廣平府的明通州總兵張汝行，派心腹前往磁州向劉芳亮納款。三月初十日，大順軍進入廣平府，張汝行郊迎30裡。略事休整後，劉芳亮任命翟鳳耆為防禦使，留下郭都尉、常掌旅領兵500名鎮守廣平，整軍北上。張汝行充當嚮導，相繼北收邢臺、河間等地，一路上皆望風歸附，迫近運河線上的重鎮滄州，至此運河北段的交通線盡在大順軍的控制之下。
十三日，劉芳亮與任繼榮在保定城下會合，包圍了保定重鎮。保定是北京的南大門。明朝在這裡部署有重兵，設立總督、總兵。崇禎十六年（1643年）二月，加保定巡撫徐標兵部侍郎，總督畿南、河北、山東軍務。保定巡撫兼提督紫荊等關，兼管河道，統天津、紫荊、井徑、大名四道兵備，河北六府衛所等軍務。李建泰代帝出征後，也在這裡安營。其目的，就是為了加強北京南部保定一帶的防務，以阻擊由南而北的軍事進攻。大順軍兵臨保定城下，陣容壯觀，絡繹三百里，羽旗鐵甲，炯爍奪目。塵坌紛起，馬嘶人喊，海沸山摧。旌旗所向，明朝守土文武官吏率皆望風降遁，保定城裡的百姓不願為朱明王朝堅守，要求開門納款。就在這時，人在保定代帝親征的督師李建泰，眼看大勢已去，難以挽回，不如及早投降。可是，署府事同知邵宗玄和新任知府何復，卻同當地鄉紳張羅俊沆瀣一氣，堅決主張守城。他們責罵百姓無知，不懂君臣大義，下令人綴崇禎錢一枚於額，以示擁戴主上之義，驅使軍民上城拒守。
大順軍分進合擊，以排山倒海之勢從東北南三個方面，掃蕩了明朝勢力，完成了對北京的包圍，殲滅了明朝部署在西、北以及南面的勢力，同時由於佔有了陝西、山西、河南與河北南部，也切斷了南方明軍對北京的增援。而它的北部山海關以北的地方，是大清的地盤。北京孤城陷入大順軍的包圍之中。決定明王朝命運的大戰即將展開。