李定国派兵保护永历先撤，然后自率精兵后撤，于二十日渡潞江（怒江）。江不甚宽，但水势汹涌，每年清明至霜降期间有“青草瘴”，连当地土人也畏惧。好在这个季节还没到来，不会危及人身健康。过江二十里，有一磨盘山（腾冲与龙陵之间），是高黎贡山的南段，位于怒江西岸，是此地的一座穹岭。定国举目四望，但见“鸟道窔箐屈曲，仅通一骑”。不由计上心来。他被清兵穷追，已到了无立足之地，回想短短一两个月，累遭失败，痛恨不已。他正确估计到吴三桂等累胜，已不存戒备之心，正好利用这里的地形用计。磨盘山距腾越很近，为防备万一，他请永历及大本营不要停留，继续后撤到边界之外，而他决心在此阻击清军，一洗耻辱。【《小腆纪年附考》，卷19，23页。】
二月二十一日晨，也就是李定国渡怒江的第二天，吴三桂率大队人马也渡过了怒江，进至磨盘山下。他环视四周，群峰丛峙，林木茂密，惟见磨盘山高矗其间，除了一条屈曲小路，别无路径可寻，经察看，不见明一兵一卒，只有鸟雀飞来，偶尔发出几声欢噪，打破一片寂静。地形如此险要，兵家遇到这种情况，总是要格外留心，谨防伏兵。但三桂却不在意。他自昆明出师，一路追剿，把白文选撵过澜沧江，率部编筏而渡，再渡怒江，军行数百里，无一人抗拒。他自以为李定国已逃窜，近处不会有明兵，因此，不再存有戒心，队伍也散乱不整，他也不以为然，便放心大胆进兵，下令军队继续前进，欲越过磨盘山西追。他做梦也没有想到，等待他的将是一条死亡之路！
李定国设伏既巧妙，又严如铁桶。他充分利用地形特点，设栅数重，埋伏三道伏兵；命泰安伯窦民（名）望为“初伏”；广昌侯高文贵为“二伏”；总兵王玺为“三伏”。【《庭闻录》，卷3，《小腆纪传》，卷6，写作“玉玺”，今从之。刘彬：《李定国传》写作“王国栋”。】每一道埋伏，设伏兵2000，定国已集兵万人，总设伏兵6000。这6000伏兵称得上都是以一当十的精兵健卒！约定在清军过了山顶，进入三伏后，发号炮为令，三伏并发，首尾横击，必无一骑逃脱。三道伏兵设于前，大营则屯于山后四十里橄榄坡，“炊事伏，令毋见烟火”。【邵廷采：《西南纪事》，卷10。】
李定国磨盘山巧设伏兵，又一次显露了他用兵的才能。他不仅正确地选择了有利地形，而且估计到了吴三桂累胜而产生的骄傲不备的心理，他把主客观两方面的情况综合在一起分析，才大胆地设此埋伏，将吴三桂置于死地！
三桂的部队已进入山间小道，摆成一字长蛇，鱼贯而行。行过一段路，开始登山，持续不断，上山的已有12000余人，仍看不出有伏兵的任何迹象。三桂和他的将士毫无顾忌，在明兵不设防之地，难得这样轻松，或许边登山边悠闲地观赏满山明媚春光呢！不知不觉，前头部队已进入定国的第二道埋伏……
突然，有一明将装束的人，不知从何处跑出来，慌慌张张地赶到三桂军前投降。此人叫卢桂生，任南明永历政权大理寺卿。【《小腆纪传》，卷6，73页；《爝火录》，卷29，930页；《庭闻录》，卷3。而《明季南略》，卷15称：“时有正黄旗下逃人从伏中逃出”泄其谋；《南疆逸史》，卷52则称：“有俘卒泄定国谋。”】他当即向三桂泄露了定国的伏兵之计，指出清兵已误入埋伏圈。三桂闻听，大惊失色，急传令停止前进，部队速撤，并令骑兵下马，舍骑步行，搜索伏兵。同时，命炮兵对准沟莽树丛中发炮，弓箭手用箭矢猛射，一时之间，两旁丛莽中“矢炮雨下”。伏兵不得号令不敢出战，听凭枪炮与箭矢袭击，倒毙在林沟中。
隐蔽在第一道埋伏线的窦民望，知道埋伏已被识破，不得已，发炮出战，第二伏的明兵也发炮，冲出救援。于是，双方在山上接战，短刀肉搏，血肉横飞，霎时，尸“如堵墙”。窦民望拼死血战。他每临阵就饮酒数升，除去坐骑上的兜鍪而冲阵。在战斗开始前，对人说：“我姓窦，而山名‘磨盘’。天下有豆（窦）入磨而不腐者乎？今日是我死之日也！”双方激战时，他挥刀奋击，手刃百余人。【《庭闻录》，卷3。】忽一枪弹飞来，从他的胁下穿过，血流如注，仍然挥刀死战。实在支持不住，突围而出，行数里，因流血过多，一头栽倒地上，再也没有起来……
战斗打响时，定国正坐在山顶，一听号炮失序，十分惊异，还没等弄清情况，一炮弹落在他面前，爆炸激起的尘土，飞溅了一脸。由于卢桂生投降告密，打乱了李定国的部署，他也无法统一指挥，明伏兵被迫出阵，人自为战。但李定国仍据险督战。激战从卯时（相当早晨5－7时之间）一直持续到中午，双方伤亡都很惨重，山上山下，到处都布满了尸体，“僵尸堵垒”【邓凯：《求野录》】，“尸委山谷皆满”【《吴逆始末记》】。不久，征南将军赵布泰部、多尼部及时赶到【《云南备征志》，“故实”，卷21。参见《八旗通志初集》，“信郡王多尼传”，3623页。《爝火录》，卷29，930页。】，增援了三桂，而明军损失殆尽，孤立无援，力不能支。定国悲愤已极，于当天夜，率残部撤退，去追寻永历。
综合各方面记载，这次战斗酷烈空前，伤亡最大。未出战前，明伏兵被枪炮与箭击死在沟的有1/3，激战死在战场上的也有1/3，这就是说，伏兵6000已失去2/3。【《庭闻录》，卷3。】将领窦民望、王玺等战死。
清军方面，损失也相当惨重。三桂部属，自都统下，固山额真沙里布、祖泽润等18名将官及辅国公干图、扎喀纳等战死，凡已上山的清军无一生还，损失精锐近万人。【《小腆纪年附考》，卷19，24页；参见《清世祖实录》，卷132，2页。】清官方实录载三桂的报捷书中，对清军的损失只字不提。【《清世祖实录》，卷125，28页。】
李定国设伏，重创清军，有诗赞道：
凛凛孤忠志独坚，
手持一木欲撑天。
磨盘战地人犹识，
磷火常用日色鲜。
【刘彬：《续残明遗事漫记》，转引自郭影秋：《李定国纪年》】
吴三桂以重大的代价破伏取胜，如果没有人预先告密，其结果将使他遭到厄运。然而，一个偶然的因素，使他逃脱死亡，侥幸取胜，岂不是一次幸运！
但是，朝廷却把磨盘山战役以“败绩”论处。顺治十七年（1660年）六月，议出征诸王与诸大臣罪：多尼罚银五千两。多罗平郡王罗可铎罚银四千两、多罗贝勒杜兰罚银两千两、都统济席哈革去一拜他喇布勒哈番并所加级、副都统傅喀、莽吉图、克里格各革去一拖沙喇哈番。所罚银两，一部分给被诬“战败”而受一百鞭之罚的前锋护军等人，其余交户部收存。征南将军赵布泰罪行更重，他以庇护其侄穆成格，反诬别将战败、两军对阵而不在阵前决战等罪判成死刑，世祖予以赦免，革去一切职务为民。穆成格则处以革参领职、鞭一百、籍没家产的处罚。实际上，清兵陷入埋伏，损失重大，三桂负有主要责任。在审理此案中，以三桂“供答明悉免议”，没给任何处分。显见从廷臣到世祖都对三桂给予了特殊保护，不触及他的丝毫利益。此例又说明朝廷对他优待、宠幸无与伦比！这不是三桂的又一次幸运吗！【《清世祖实录》，卷137，12~14页；卷141，13页。】
三桂与赵布泰等乘胜进军，占领腾越，又往西追击120里，一直追过了南甸（今梁河），至孟村，已到了中缅边界，还是不见永历君臣的踪影！【《八旗通志初集》，“信郡王多尼传”，卷135，3622页。】
原来，当李定国大战磨盘山时，即二十一日夜，永历与随从离腾越继续南行，经南甸，又行两日，还不知磨盘山之败，李定国等下落不明。二十四日，正行至路上，准备安营炊饮，总兵杨武赶到，向永历报告：定国已远逃。事情是这样的：李定国在磨盘山败后，与永历失去了联系，曾打听永历的去向。有知情人说：永历已西行，将到茶山与缅甸之间。定国考虑了一下，说：“君臣皆死无益也。姑他往，以图再举。”当即决定奔孟艮。
永历与随从知定国已逃往他处，又被吴兵紧追，不敢停留，连夜赶路。人心更加涣散，各营兵士不少逃散。昏夜中，迷路于山谷，群臣妻子不相顾，乱兵乘机劫掠，火光烛天，惊扰奔窜。等到天亮，才发现还在原地，而永历的贵人、宫女已失去多半。永历看到将吏士兵纷纷离叛，已无路可走，决意投向缅甸，暂时安身。二十八日，永历赶到中缅边境的铜壁关，护从将领孙崇雅叛变，大肆劫掠永历的辎重而去。在将要出关进入缅甸时，护从大将靳统武也放弃了对永历的保护，率其部属出走。永历无法约束他们，任其去留、离叛，率余众进入缅甸。【《爝火录》，卷29，931页；参见《三藩纪事本末》，卷4，70页。】