当杨嗣昌率军出击，打算包围进攻武功城的李双喜时，在咸阳以北的伏兵已经达到了十五万人。这些是李自成多年积攒下来的全部精兵，都是身经百战的高手，其中还有许多是招收来的蒙古人。利用晋商和满蒙秘密提供的的物资，他们有着优质的战马和精良的武器，足以给官军一个结结实实的教训。
杨嗣昌不知是计，率领大军合围李双喜所部五千骑兵，然而李双喜在对方抵达武功城下之前，就已经率队撤围而去。杨嗣昌好不容易统帅大军出兵，如果没捞到任何功劳就这样灰溜溜的回去，对士气是个很大的伤害，也容易让自己沦为笑柄，因此他咬着牙命令全力追击。
李双喜所部骑兵也不快跑，他们越过了渭水河之后，向着北方流窜。尽管他们是骑兵，而官军大半都是步兵，但他们似乎有什么拖累，行军速度竟然不太快，只是与明军保持着五十里左右的距离而已。
杨嗣昌求胜心切，率领大军拼命追击，结果在富平县境内撞入了李自成的伏击圈内。官军没有防备，大军急急行军并未提防，结果突然伏兵四起。李闯骑兵突然杀出，冲乱了官军的队伍，随后十万步兵与官军混战在一起，很快就取得了优势。
官军队形被冲散，军官都找不到自己的队伍，只能各自结成小圈子拼命抵抗。反观农民军则是互相应援，以优势兵力将官军包围，再以骑兵冲乱官军步兵阵型，结果杀得对方毫无还手之力。
此役官军大败亏输，六万官军伤亡超过四万人，曹文诏和曹变蛟叔侄双双被刘宗敏和高一功斩杀，只有贺人龙保着杨嗣昌杀出重围败回了西安城，但他的两万精锐骑兵经过此役，只剩下了九千多人，再也没有了与李闯对抗的能力。
富平之战是陕西战局的转折点，农民军和官军的攻守易势，本来尚有进攻能力的官军只能保住各个府城，阻挡农民军的攻势，而农民军的活动范围却一下子大了起来。
这一败让杨嗣昌的计划全盘破灭，再也没有了成功的希望。羞愤之下的杨嗣昌感觉自己无颜再见崇祯皇帝，结果在西安城的帅府内自缢身亡。杨嗣昌一死，只能由官职最高的贺人龙统领部众，他一面向朝廷上奏情况，一面加强西安城的防守，提心吊胆的等着闯军攻城。
贺人龙等了半个月，没有等来闯军的攻城，却得到了一个意外的消息，李自成亲率十万大军进入了河南境内。原来情况远没有贺人龙想得那么糟糕，六万官军毕竟是绝对的精锐，即使闯军以十五万打了埋伏战，同样不会多么轻松。
这一战所动用的骑兵都是闯军，而步军大部分是罗汝才的队伍，结果此战官军损失四万人，农民军却伤亡超过七万，其中有五万四千人都是属于罗汝才的步军。