随后东虏大军撤离，大同安全无忧，洪承畴亲自坐镇辽州附近的榆次县居中指挥，尤世禄兵出乐平、围攻和顺，贺人龙、王自用破马岭关攻袭榆社，两面向辽州城围去。

李自成一面将闯曹等部的家眷、文士等非作战部队向沁州疏散，一面集中兵力主动出击，在和顺击退尤世禄部，射伤尤世禄，迫使其逃回太原府，随后携胜势退回辽州据守，等待高迎祥、罗汝才的援兵支援。

但他一心等待的援兵却来不了了，高迎祥和罗汝才等人听闻辽州危机，赶忙领军回援，卢象升一路紧追不舍，高迎祥和罗汝才便决定先击败卢象升再回援辽州，于郭舆山设俘围困卢象升所部，试图将其歼灭在此。

哪想到卢象升根本就是个诱饵，朝廷听闻辽州大战的消息，自宣府抽调祖宽部辽兵和邓玘部川兵支援，皆令洪承畴节制，洪承畴便遣使与卢象升沟通，让卢象升以身作饵，令两部援兵不往山西而来，直接前往顺德府支援卢象升。

闯曹等部农民军毫无防备，被其趁夜突袭，卢象升也来了个中心开花，亲自上阵领军冲杀，闯曹等部农民军大溃，高迎祥收拢溃兵南逃，罗汝才几乎是仅以身免，莫着天高小溪被卢象升生擒，扑天雕贺双全亦被官军所获，但其脱了衣甲混在乱军之中，官军不知其身份，半夜收买了看守的军卒逃跑，一路逃回高迎祥的帐下。

好在高迎祥还没忘了他那个侄子，派了亲兵赵老三去辽州通知李自成，赵老三半路又碰见了乔装成村民的罗汝才，两人趁官军还没把辽州城围死，悄悄潜入城去，将援军兵败的消息报告给李自成。

李自成得知援军断绝，明白辽州城已不可守，只能长叹一声：“悔不听无牙帅之言！”，决定趁祖宽、邓玘两部官军未至领军突围，将城内守军分为三部，自领一部开北门，侄子李过开南门、义子李双喜开西门，三军趁夜冲杀出去，欲冲破官军包围逃入太行山脉中。

围城的贺人龙、王自用两部官军兵力也就比守军稍稍占优而已，本就无法将辽州城彻底围死，加之王自用手下军卒又大多是新兵，战场之上大多都是滥竽充数，而李自成手下的战兵经过改革整训，乃是闯营之中战力最强的一部，如今拼死突围，官军如何阻拦得住？

两军在辽州城下混杀一场，闯军抛下几乎所有火炮、辎重等重装备和重武器，损失了千余战兵，突围而走，李自成举闯将大旗吸引官军注意，引诱贺人龙和王自用追击，又抛下装满金银粮食的大车引诱官军哄抢，趁机杀了个回马枪，贺人龙和王自用抵挡不住，只能退兵看着闯军逃入太行山中。

数日后，洪承畴抵达辽州城，自此山西再没有一座城池“沦陷贼手”，洪承畴“光复”山西全境。