李自成率大軍攻占西安后，立馬兵分三路攻略陜西各地。這三路兵馬分別為北路、南路和西路。「一只虎」李過率北路軍追擊孫傳庭部將高杰殘部，一直追到陜北延州（延安）。高杰自兵敗潼關后，率余部倉惶東逃，輾轉竄至陜北宜川時，正趕上黃河結冰，他便率軍渡過黃河，進入山西蒲州境內。
待李過率軍趕到后，忽然刮起一陣南風，「冰解不得渡」 ，冰面融化不能踏冰過河，不得不率追兵怏怏而返。大將（權將軍）田見秀率南路軍追擊明將高汝利部到漢中。高汝利見闖軍緊追不舍，便棄漢中逃進四川，田見秀繼續銜枚追擊，高汝利逃無可逃，逼不得已，率部投降了田見秀。
權將軍劉宗敏和驍將黨守素等率軍出西道，追擊明將白廣恩部，一直追至固原（今屬寧夏），走投無路的白廣恩在劉宗敏的勸說下，獻固原城投降闖軍。其余的陜西城鎮，因孤立無援或守軍力量微弱，無法抵抗愈發強大的李自成軍，便紛紛舉城而降。不久，整個陜西都被李自成一一蕩平，明朝在該省的統治已經土崩瓦解。
白廣恩是明軍「火車營（車載火炮）」的統帥，曾是孫傳庭的左膀右臂，他投降后，李自成非常重視，特地設宴款待他，二人把酒言歡，無話不談，相處甚是融洽。
守開封立下大功的明軍悍將陳永福仍然率軍抗拒，似乎在等待觀望，李自成請白廣恩前去勸說陳永福投降。陳永福懷疑白廣恩替李自成說話欲誘使其放下武器出降，目的是出賣自己，因為他在堅守開封時曾經射瞎了李自成一只眼，李自成豈會善罷甘休，絕不會饒恕自己。李自成猜到陳永福的疑忌， 托白廣恩帶話表示，戰場上本就是你死我活，況且那是各為其主，各負其責，自己絕不計較。陳永福聽后頗為感動，于是立即率軍投降。李自成果然既往不咎，且待陳甚厚，不僅賞賜大量財物，還封其為文水伯。
就這樣一傳十，十傳百，那些仍然負隅頑抗的明軍將領沒了主心骨，不少人也就相繼率部歸降了李自成。從李自成對待這些明軍降將的做法上可以看出，他對這些曾經與自己為敵的將領能不計前嫌，不念舊惡，推誠任用，不像早期那樣逮一個殺一個，已經具備了一個軍事統帥應有的氣度和胸懷。
明朝時的陜西地域很廣袤，除包括今天的陜西全境外，還包括今天的甘肅、寧夏兩省區以及內蒙古之部分地區。明朝為了防范蒙古韃靼、瓦剌、兀良哈部的入侵，沿長城走勢設置了九個邊防軍事重鎮，九鎮皆設有重兵，即史料中所說的「九邊」 。其中有三鎮位于陜西境內，稱為三邊。統轄三邊鎮兵的軍事長官叫三邊總督。李自成為了建立一個穩固的后方，開始積極部署，準備攻取九邊。
陜北延綏鎮管轄四衛：榆林、延安、綏德、慶陽。到李自成掃蕩陜西時，延安、綏德已經歸附，其他兩衛以榆林衛最強，明軍守御力量頗為厲害。明延綏巡撫和延綏總兵都駐扎在榆林城中。據記載，當時延綏巡撫崔源之前不久因作戰不利剛被革職，接任者還沒到。
延綏總兵王定借口河套一帶「賊勢頗兇」，自己要去進剿，遂率部棄城而走。榆林城內的衛所之軍所剩無幾，僅剩王氏、尤氏兩大土豪及其家族武裝組織抵抗。王世臣、王世國兄弟，尤世祿、尤世威兄弟等積極聯絡未走的明軍將領，召集各堡守軍、鄉兵入城，齊心合力守城。
李自成對榆林采取的策略是先禮后兵，他先派延安降官舒君睿前去勸降。舒君睿是有名的舌辯之士，口才了得，李自成讓他攜帶5萬兩紋銀和自己的親筆信前去招降。為增加勝算，虎將李過 、劉芳亮率大軍緊隨其后前往，不降就打。
崇禎十六年十一月十五日，守榆林的王氏兄弟、尤氏兄弟拒降，還把舒君睿好一頓奚落并驅逐出城，勸降失敗。李過、劉芳亮按照李自成的叮囑，開始揮軍猛攻榆林城。尤世威雖是城中富紳，并非官軍，但卻系將才，他激勵守城軍民奮起抵抗，守城將士和民間義勇士氣高昂，就連城中一些婦女和兒童都自愿登城助守，積極參加防御。
城內軍民用火炮轟擊攻城的闖軍，夫人孩童則輪番用開水、熱油往下潑灑，拋砸磚石， 重創爬云梯登城的闖軍士卒。《綏寇紀略》 等史料還記載，在戰斗最激烈時，守軍還多次開城突襲農民軍，還趁夜摸進農軍大營偷襲，打死打傷數千闖軍士兵。李過等督軍日夜猛攻，但連攻十幾天不下，反而損失了不少將士，城下遺尸累累，血水竟浸紅黃土......
十一月二十七日，闖軍用穴地埋火藥之法轟塌城墻一段，農軍沿缺口沖入城內，這才進入城內。守城軍民見「流賊」已經入城，仍死戰不降，頑強與闖軍進行殘酷而激烈的巷戰，以至闖 每每攻下一座街巷乃至一棟房舍都要付出慘烈的代價，戰至最后，守軍、義勇寡不敵眾，幾乎全部戰死，榆林城終告陷落。
混戰中，王世國、王世臣、尤世威和被罷官的原總兵李昌齡四人被俘，尤世祿戰死。李過派兵把四人押送至西安。史載，李自成以鄉黨之誼勸四人投降，并封官許愿：
「吾虛上將以屈四將軍，奈何固執，不相與共富貴 」？
四人雖然被俘，但威武不屈，面對李自成勸降不為所動，破口大罵道：
「吾大臣也，汝草賊，且滅不久，毋污我」！
李自成有心招納，費盡口舌，四人卻嗤之以鼻，始終罵不絕口，他沒奈何，只好下令將四人處死。這四個明朝的忠臣臨刑前仍然后悔不已說：
「我四人不早殄（滅）此賊， 致今日，真死有余恨 」！
盡管明王朝已經油盡燈枯、大廈將傾，但仍然有一批文臣武將甘愿為其殉葬。
十一月底，李自成派麾下 頭號猛將、權將軍劉宗敏統五萬大軍圍攻慶陽，守軍浴血苦戰，經四晝夜激戰，闖軍破城而入。經一番血戰，守軍被團滅，兵備副使段復興、知州董琬皆死于亂軍中，明宗室韓王被生擒。
李過攻取榆林后，立刻馬不停蹄向寧夏方向沖去。寧夏總兵撫民見闖軍勢大，料不能敵，遂舉城（銀州）投降，李過兵不血刃而得城。
李自成還派大將賀錦等率軍圍攻蘭州。巡撫林日瑞令副將郭天吉率四千騎兵扼守峽口，但被賀錦大軍很快擊潰。賀錦迅速進至蘭州城下，趁天降大雪，夜色昏暗之機督軍攀上城墻。
混戰中，巡撫林日瑞和總兵馬爌皆力戰而死，闖軍因傷亡慘重而屠城，有數萬蘭州軍民被殺害。
蘭州被攻破后，其他州縣紛紛聞風而降。隨后，黨守素奉命留鎮蘭州，賀錦、辛思忠等率軍前去攻打西寧。在圍攻西寧的過程中，賀錦被明軍伏擊擊斃，辛思忠督軍苦戰月余，終于還是將西寧攻克，然后受命鎮守西寧。
經過一番東征西討，浴血征戰，李自成已經控制了差不多整個西北地區，從而建立了一個較為穩定的大后方。下一步就是以西北為根據地向中原以及帝都北京進擊。
