李自成起義軍進入河南後，處於敗而復振時期，兵力不足，遂由淅川、內鄉沿伏牛山北上，這裡山嶺起伏，道路險阻，居民稀少，有著不少的無業流民寄居其中。十二月，連克魯山、郟縣、伊陽三縣，二十一日到達宜陽。宜陽東距洛陽70里。位於洛河依山面水，北瀕洛河，南緊靠錦屏山，形成一道扇形天然屏障。明知縣唐啟泰在城內固守，農民軍英勇機智地登上錦屏山，觀察城內動靜虛實，發起猛烈進攻，一舉破城，俘獲唐啟泰立即處斬，明確提出「不殺平民，唯殺官」。二十四日，繼續西進，攻打永寧(今河南洛寧)。知縣武大烈與退居鄉里的明南京吏部驗封司主事張鼎延在城內組織軍民固守。武大烈守北城，張鼎延守南城，都司馬有義守東城，守備王正已守西城。經過三晝夜激戰，義軍在李自成指揮下，用大炮轟開東城雉堞，城內獄徒牛可敬、魏之明與之配合，破獄而出，引導義軍駕雲梯登城，抓捕了知縣武大烈、明萬安王朱采和鄉紳百餘人，在縣西關一一「過堂」公審後處斬。隨即，連破熊耳四十八山寨，河南當地義軍一斗谷率部來歸，李自成的部隊已增加到數十萬人。不到一個月的時間，又連克偃師、靈寶、新安、寶豐，掃清了洛陽的外圍。
古都洛陽乃豫西重鎮，是福王朱常洵的藩府所在地。此人為明神宗第三子，生母是明神宗最寵愛的鄭貴妃。子以母貴。朱常洵受到神宗的特別偏愛。按照神宗的意圖是要立常洵為太子的。迫於傳統觀念與朝臣輿論壓力，他才勉強同意立皇長子朱常洛為太子。由於朝廷的初衷不能如願，於是挺擊案、移宮案與紅丸案接踵繼起，使朝臣捲入這種沒完沒了的宮廷紛爭的漩渦之中而無心思去處理國家的正常事務。同時由於朱常洵太子夢不能如願，神宗便在經濟上給常洵以補償，不僅破例大行賞賜，對於福王莊田、食鹽、商稅等要求，無不一一應允，也無不朝報而夕可。萬曆二十九年(1601年)，神宗封他為福王，為他操辦婚禮費用高達30萬金，在洛陽為他修建壯麗王府，超出一般王制10倍的花費。億萬錢財，皆入福王藩圍，福王要求賜田4萬頃，由於沒有那麼多的土地可供賜予，只好減半。福王來到洛陽後，派遣府中官役，到處圈占土地，千方百計搜刮，聚集財富，富甲天下，過著紙醉金迷，窮奢極欲的生活，寧可讓糧食糜爛在糧倉中，寧可眼睜睜地看著成千上萬的饑民活活餓死，也不肯拿出一粒賑濟貧苦百姓。因而，激起民眾的強烈憤慨。李自成正是根據民眾的這一迫切願望，作出了攻打洛陽的決策。
崇禎十四年(1641年)正月，李自成在豫西的發展，當時在城內明南京兵部尚書呂維祺深感形勢的嚴峻，他在給福王的信中說：「三載奇荒，亙古未聞。村鎮之餓死一空，城市皆殺人而食。處處土賊盤踞，加以流賊數萬陰相結合，連破魯山、郟縣、伊陽三縣，又六日之內，連破宜陽、永寧二縣。賊勢洶湧，窺洛甚急。無堅不破，無攻不克。且饑民之思亂可虞，人心之瓦解堪慮。況撫台大兵無一至，雖有操、義二兵，亦無糧餉，及城頭垛夫又皆鬼形鳩面而垂斃者。城中一無可恃，有累卵朝露之危。」他希望福王能夠敦促河南巡撫李仙風急派軍隊來洛陽加強城防;並且建議福王為自己的身家性命著想，拿出錢來解決城內守軍的糧餉。呂維祺以宜陽、永寧二城失陷為借鑒，說兩座城裡的宗室官紳，悠悠忽忽，靠天度日，一籌不劃，一錢不捨，一言不聽，今雖噬臍，悔之何益？希望朱常洵不要充當眼光短淺的守財奴，最後落到噬臍無及的地步。可是，要錢不要命的朱常洵卻聽不進去。
數十萬農民軍向洛陽聚集。十七日，河南府總兵王紹禹率劉見義、羅泰二副將赴援。紹禹要求入城守禦，福王不許，王紹禹強行入城，而劉、羅二將則被拒絕，駐紮在東關。
李自成兵臨洛陽城下。城內明軍分兵把守：兵備副使王胤昌守西門，知府馮一俊守南門，知縣張正學守東門，通判白尚文守北門，總兵王紹禹、推官衛精忠發遊兵巡徼。由於缺餉，守城的官軍士兵以至一部分中下級裨將怨聲載道，大罵：「王府裡金錢百萬，厭食粱肉，而讓我們餓著肚子死於賊手。」
十八日黎明，駐紮在東關的副將劉見義、羅泰的軍隊，聲稱出戰，走到七里河，便投降了農民軍，馬上回戈反擊。這天一早，李自成指揮部隊同時發起攻勢，戰旗揮舞，殺聲震天動地，經過一晝夜的拚搏，農民軍偵知東面守備嚴密，兵力較強，西北面守備薄弱，根據這些情報，李自成立即改變攻城計劃，由四面環攻，改成重點進攻，集中兵力，攻打城西北角，守衛在這裡的是總兵王紹禹的隊伍。王紹禹貪得無厭，長期剋扣軍餉，早為部下所憤恨。這時，士兵們看到農民軍發起了總攻擊，心中暗自高興。就在二十日夜晚，數百名士兵起為內應，揮刀殺死城上的守敵，把參政王蔭昌捆在城上，火燒城樓，打開北門，裡應外合，農民軍像潮水般湧進了城內。城裡的民眾像迎接自己的親人一樣，扶老攜幼，歡迎農民軍入城。
二十一日凌晨，李自成軍佔領了洛陽。體重300斤的福王朱常洵沒有來得及逃跑，躲進迎恩寺，明南京兵部尚書呂維祺想逃跑也來不及了，相繼被生擒活捉。當押解他們來見李自成時，朱常洵看到呂維祺便大叫：「呂先生救我啊！」呂維祺哭喪著臉說：「我命也在頃刻之間。」他勸朱常洵別忘了自己是當今皇上的親叔，不要屈服。可是，貪生怕死的朱常洵一見到李自成，就體如篩糠，一個勁地叩頭乞求饒命，李自成端坐殿上親自審問朱常洵，怒斥道：你身為親王，富甲天下。在這如此饑荒之年，不肯拿出毫釐賑濟百姓，你真是個奴才。命左右打他四十大板後，將他的頭砍下，掛在洛陽城門上示眾，農民軍還把他的屍體剁成肉醬，雜以鹿肉下酒，稱福祿酒，以解心頭大恨。當審訊呂維祺時，李自成說：呂尚書今日請兵，明日請餉，欲殺我們，現在你作何打算？第二天，李自成在城西關周公廟舉行群眾集會，痛斥「王侯貴人剝削窮人，視其凍餒」的種種罪行。並將他們處死，同時處死了呂維祺和前任河南知府亢孟檜等官紳，一些潛逃在洛陽的官紳如孟津縣孫挺生、新安縣王朝山、嵩縣王翼明等也被農民軍殺死。
李自成奪取洛陽後，俘獲官軍3000人，收繳了一批武器輜重，大大改善了農民軍的裝備，並使自己擁有了一支裝備精良的部隊。他沒收了福王府中金銀財貨和大批糧食物資，發佈告示開倉濟貧，大賑饑民，令饑民遠近就食。在農民軍的這一號召與支持下，遠近饑民風起雲湧，打開了官府的倉庫，扒開了福王朱常洵和富戶的糧倉和地窖，奪得糧食數萬石，金錢數十萬，其他各種金銀財物，不可數計。農民軍留下一部分作為糧餉外，其餘全都分發給了窮苦老百姓，得到廣大群眾的熱烈擁護。李自成在準備移兵攻取開封時，委派原洛陽一名書辦邵時昌為副將，用以募兵守城。同時授官的還有洛陽生員張旋吉、梅鼎盛等人。邵時昌等受命後，即募人為兵，每人每月發給銀5兩。饑民紛紛響應。李自成從中挑選500人，讓他們旌旗列營城上。
李自成攻克洛陽是他走向勝利的重要標誌。當時有人指出：「洛陽新破，所在震驚。」接著，開封告急，河朔危急，各州縣請兵增援的文書，像雪片一樣飛送到開封和京都，消息傳到北京，朝中群臣，無不為之驚駭，崇禎帝氣急敗壞，下令把總兵王紹禹處死，將河南巡撫李鳳仙罷官治罪。處在飢餓線上的民眾，熱烈響應李自成農民軍的號召，紛紛參軍。打這以後，李自成農民軍壯大成為擁有百萬的大軍，成為明末農民軍的主力，歷史記載說：「遠近饑民荷旗而往應之者如流水，日夜不絕。一呼百萬，而其勢燎原不可撲。自是而後，所過無堅城，所遇無勁敵，諸將皆望風走。即秉鉞者以名節自許，不過以身予敵而已矣。」這是李自成平生的重大轉折，也是明末農民戰爭的重大轉折，從此農民軍開始由被動變為主動，由劣勢變為優勢，由分散的、小規模的流動作戰，進入大規模的、以奪取政權為目標的新階段。