这时李自成派大将刘宗敏率一万名骑兵从小路抄到官军后方，切断官军的粮道，为了麻痹官军，李自成用大牌写下战书，约定日期同官军决战，以此牵拌官军。

士兵们有雨淋没饭吃，情绪开始浮躁起来，孙传庭无奈之下，只好决定回师迎粮，他命令河南总兵陈永福留守军营，自己统率嫡系陕西官军分路回师打通粮道。陈永福部下士兵看到陕西官军走了，自己却被留下来忍饥挨饿充当替死鬼，都愤愤不平，也都跟在陕西官军后面撤退（前军移，后军乱），陈永福无法控制局面，官军队伍大乱，民军乘机发起进攻，官军全线崩溃。官军逃到南阳才缓过神来，调头迎战民军，双方展开大战。民军战阵共有五重，第一重是饥民，第二重是步兵，第三重是骑兵，第四重是精锐骑兵，第五重是家属。

官军攻破了民军前三重战阵，与第四重战阵的精骑相持不下，鏖战中，白广恩部火车营招架不住，率先溃败。火车营的溃败引发连锁反应，骑兵也招架不住逃跑，战场形势瞬间发生巨变，由双方互相厮杀变为一方追杀另一方。民军倾巢而出，穷追不舍，一日一夜追杀四百余里，官军死亡四万余人，损失兵器辎重数十万。此役，大明仅有的“一副家当”损失殆尽，成了待宰的羔羊，民军的战略问题也迎刃而解，扩大战果，乘势夺取关中。

汝州之战和松锦大战一样，都是决定明朝命运的战略决战，在这两场战役中，明军并非没有机会，但是由于种种原因，最终归于失败。

双方没有决战之前，还是有人跟冲很提议农民军需要徐徐图之，结崇祯十四五月，兵部侍郎张凤翔“进言孙传庭所有皆天下精兵良将，皇上只有此一付家当，不可轻动”。崇祯帝不从。孙传庭不欲仓促出战，可是在朝廷的催逼下，传庭不得已在八月亲率白广恩、高杰等部10万人出师潼关，同时檄左良玉西上，总兵陈永福、秦翼明分别将河南与四川兵互为犄角。九月，孙传庭在汝州兵败，李自成一日内追杀四百里地，直撵孟津，明军四万余人战死，损失大量兵器辎重。

十月初，李自成攻克潼关，总兵白广恩、陈永福投降李自成。李自成以十万军围攻孙传庭，孙传庭向渭南撤退，十月初三，孙传庭战死，时年51岁。