而在宁武关的周遇吉则是昼夜不停的操练队伍，获得近八千名勇士，并身先士卒，不待大顺军安顿扎营，就主动出关奇袭。
而此次突袭完全是乘其不备，出奇制胜，歼灭大顺军先锋精锐上万。可是大顺军虽前锋受挫，但仍没停止进攻，经过数次交锋，才得以靠近了宁武关城之下。
可就是到了此时，周遇吉也不是被动的消极防御，而是化被动为主动，主动将兵列队于关城外围，以战为守；到了晚上则收兵入城，在城上借助女墙，炮击登城的大顺军，使大顺军的伤亡是更加惨重。
见到了久攻不下，李自成也恼羞成怒了。他向关城内传檄：“五日不降者屠其城”，想借助宣传攻势迫使周遇吉投降。
而一些将领也曾劝说周遇吉改变策略不要一味硬拼，但被他断然拒绝，周遇吉说：“连续激战三日，杀死超过万人，你们还有什么可怕的呢？这仗如果打胜了，山西镇全军皆称得上忠义；万一守不住打败了，就把我绑起来献给李自成，你们就可以安然无恙了。”
所以还是一句老话：一员虎将，带着一群虎狼之师，这就是最可靠的险关。
可是随着战斗的进行，官军大炮的火药耗尽了，这使得大顺军得以抬着大炮击城。而官军援兵久久不至，想不出什么对付的好办法。就在此时，周遇吉急中生智，密令勇士埋伏在街头巷尾，开门诱使大顺军入城，当大顺军进城快一万多人的时候，立即将城门门闸放下，伏兵四起，杀得大顺军焦头烂额，并杀伤李自成四员骁将。
战斗到了此时，虽然大顺军仅仅损失了二万多人，可这些士兵大多数都是李自成引以倚重的老营兵马。所以看到了周遇吉的顽强抵抗，李自成一度就准备放弃攻取宁武关。
还是刘宗敏等将领却认为官军已经到了强弩之末，所以鼓舞李自成再坚持下去。于是大顺军再次对宁武关发起了猛攻，在火炮的轰击之下，关城不断坍塌，大顺军冲锋的前队战死，后队马上跟进顶替，连续围城环攻四昼夜，直到六月十日，官军因为人少兵寡，力不能支，宁武关终于陷落。
而当大顺军攻入关城之后，周遇吉继续指挥巷战，他从战马上摔下来后又跳跃着奋战不止，亲手杀了数十人。直到身中数箭被大顺军捉住后，周遇吉仍然骂不绝口，拒不低头，誓死不屈。于是大顺军就将周遇吉周身捆绑住，吊于教场旗竿之上，并用乱箭射死，然后又乱刀分尸。
而宁武关城中的军民也都被周遇吉这种舍身取义的精神所感动，自发参加巷战，杀死大顺军不胜其数，即使是儿童、妇女，也没有一个屈服的，后均惨遭屠戮。
当天，总兵衙门的护卫相继出战，全部阵亡；周遇吉夫人刘氏，英勇无畏，亲自率领家中众妇女，登上屋顶用箭射杀起义军，每发一箭，射死一人，使得大顺军不敢靠近。直到实在坚持不住，她又下令放火环烧总兵暑，周遇吉老母、刘氏及全宅数十口人全部葬身火海。
如此惨烈的宁武战役，使得李自成对前去直捣京师的决心一度产生动摇。在攻下宁武关城以后，李自成召集众头领商议说：“宁武关虽被攻破，但我军将士伤亡也相当惨重。自此到达北京，还要历经大同、阳和、宣府、居庸等军事重镇，那里皆有重兵把守，倘若都向周遇吉这样顽强抵抗，我军还能剩下一人吗？不如暂且先撤回陕西休整队伍，以图来日再与大明决一雌雄。”
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