又恰逢皇太极设计反间，生性多疑的崇祯将袁崇焕逮捕入狱。关宁军入卫以来受到不公正待遇已久：连获广渠门、左安门二捷，却仍被当作奸细谩骂，在城壕露宿半月，京营从城上扔砖砸死三人，选锋出城砍死六人，巡夜兵丁被杀或勒索，等到袁崇焕蒙冤，众将士已是心灰意冷，皆言“以督师之忠，尚不能自免，我辈在此何为？”竟不听祖大寿号令，径自向东奔去。崇祯四年（1631年）的大凌河之战中，团练总兵吴襄率马步四万余往援大凌河城（今辽宁凌海）祖大寿，结果吴襄临阵逃脱，被削职。
崇祯五年（1632年）六月，为平息山东登州（今山东省蓬莱市）参将孔有德等兵变，吴襄随副将祖大弼出征山东，最后孔有德从登州乘船渡海，投奔后金，而吴襄恢复了总兵职务。随着吴襄官复原职，吴三桂也在当年任游击，时年20岁。崇祯八年（1635年），吴三桂被擢为前锋右营参将，时年23岁。崇祯十一年（1638年）九月，任前锋右营副将，相当于副总兵，时年26岁。崇祯十二年（1639年），蓟辽总督洪承畴、辽东巡抚方一藻、总督关宁两镇御马监太监高起潜，报请朝廷批准，吴三桂被擢为宁远团练总兵，时年27岁。
崇祯十三年（1640年），明军与清军在杏山（今辽宁锦县杏山）附近的夹马山一带发生了一场遭遇战。吴三桂在这场战斗中，表现出了其高超的战斗技能，拼命冲杀，与清军血战，但因清军勇猛异常，最终以双方互有伤亡收场。崇祯十四年（1641年）初，清军逐渐形成对锦州的包围之势。蓟辽总督洪承畴与辽东巡抚丘民仰、吴三桂等再三商酌，决定冒险向锦州、松山、杏山三城运米。
崇祯十六年（1643年）正月，已投降的祖大寿在盛京收到吴三桂的来信，祖大寿将来信转交皇太极，皇太极回信道：“尔遣使遗尔舅祖总兵书，朕已洞悉。将军之心，犹豫未决。朕恐将军失次机会，殊可惜耳。”吴三桂在动摇中，虽然没有降清，但是已经给自己留出了降清的后路。春天，吴三桂奉命入关，驰援京师，抵御第五次迂道入塞的清军。行军迟缓，到达时清军已退，但是崇祯还是很器重他，感谢他来北京勤王。五月十五日，崇祯帝在武英殿宴请来勤王的吴三桂等，赐吴三桂尚方宝剑。九月，清军绕过宁远，打下后所，前屯卫，中前所，前后七八天，三座城池全部失陷，吴三桂的宁远，成为山海关外一座孤城，已经失去战略意义。
崇祯十七年（1644年）初，面临覆亡命运的明朝便把赌注押在了关外拥有重兵的吴三桂身上。不少朝臣如王永吉、吴麟征等先后上疏，要求撤宁远之师以入卫京城。大顺军直指京师，崇祯诏征天下兵勤王，三月五日加封吴三桂为平西伯，命吴三桂火速领兵入卫北京。[4]三月十九日吴三桂率军到达山海关，继而率兵西进京畿。二十二日吴三桂兵至玉田（属河北省唐山市）一带，这时突获京师陷落崇祯自缢的消息。
明朝的灭亡使吴三桂失去倚靠，为了寻找新主，此后一个多月，吴三桂只