在崇祯十一年（1638年）担任前锋右营副将，相当于副总兵的职位，而在崇祯十二年（1639年）十月，他正式被任命为总兵团练辽东宁远中左、中右、前屯、中后兵马事务的总兵，这是对他军事才能的极大认可。
崇祯十三年（1640年）五月，蓟辽总督洪承畴率领明军出关救援被清军围困的锦州，吴三桂以其敢战的名声，被委以重任。在杏山附近的夹马山，吴三桂采用独特的治军方法，挑选出精锐骑兵并组织成小队，这种灵活机动的战术在遭遇战中发挥了重要作用。尽管战斗激烈，双方互有伤亡，但吴三桂的勇猛和战术得到了高度评价。
次年，随着清军对锦州的包围日益紧逼，吴三桂在运送粮食支援锦州的行动中表现出了非凡的军事智慧。他利用春节的掩护，成功避开了清军的监视，完成了至关重要的补给任务。然而，清军的反应迅速，派出大军追击，但吴三桂的谨慎布防确保了粮食的安全送达，再次证明了他的军事才能。
崇祯十四年（1641年）四月，在松山东西石门的激战中，吴三桂率部冲锋在前，多次击败清军的进攻，甚至阵斩敌骑，被洪承畴上报为首功。然而，随着清军的不断施压，明军陷入困境。在七月，洪承畴率军救援锦州，但最终被皇太极的清军包围在松山。在八月突围过程中，吴三桂再次显示出其领导能力，尽管损失惨重，但他成功保全了大部分兵力，逃回宁远，成为唯一能保持建制的明军部队。
在接下来的一年中，尽管关外的局势恶化，松山、锦州、杏山、塔山四城相继陷落，吴三桂依然坚守宁远，甚至在清军的第五次入塞劫掠（壬午之变）中，于王宝山以少数精兵和野营携炮战法成功击退了清军，彰显了他出色的战场指挥能力。
面对清军的不断劝降，吴三桂立场坚定，拒绝了所有的诱惑。在给祖大寿的信中，他表达了对明朝的忠诚和对清军的敌意，明确表示不会投降。即便在崇祯十六年（1643年）春季奉命入关救援京师时，吴三桂依旧展现了他对明朝的忠诚，得到了崇祯帝的高度赞赏和信任，甚至被赐予 尚 方 宝 剑 ，彰显了其在明末军事舞台上的核心地位。
三、献关降清
崇祯十七年（1644年）的春天，明朝的命运悬于一线，而吴