九月，李定国兵发湖南，取衡州、进攻长沙，出兵七个月、拓地三千里，满清震动不已，急忙命洪承畴经略湖广、云贵、两广，趋长沙。十一月，清廷又派敬谨亲王尼堪任定远大将军，率领三贝勒、八固山共十五万精兵朝长沙扑来。面对强敌，李定国进行了周密的布署：明军暂退出长沙，引诱清兵渡湘江，将冯双礼、马进忠部埋伏白杲市，待清兵过衡山，李定国从蒸水（衡山西南）正面攻击，冯、马二将背后出击，两军相夹，合歼尼堪。但这一计划却被冯双礼透露给孙可望，孙可望“不欲定国之成功，而思陷之败死”。密令冯双礼退出伏击，马进忠见状也撤离了战场。
十一月十九日，尼堪进抵衡州，李定国在蒸水率军出击，接着转战到城北香草庵、草街，不分胜负，为此李定国准备采用伏击战术。二十四日，双方再战，李定国佯装败退，尼堪紧追不舍，追至演武亭，一声炮响，明军伏兵四起，团团围住尼堪，李定国手举大刀，将尼堪一劈两半。
清军失去主帅，大败而逃。李定国缴获了尼堪的铠甲、绣旗，正准备乘胜追击，才发现冯双礼、马进忠未到，派人侦察说已走湘乡。李定国才知自己是孤军作战，无法扩大战果，只得收兵向武岗转移。衡州战役后，李定国叫人绘制孔有德、尼堪画像，刊布粤楚，“露布告捷”。取得衡阳大捷，光复湖南。
李定国收复桂、湘。前后败敌数十万人，纵横数省。桂林、衡州两次大捷，使“清君臣闻警，上下震动，闻李定国名，股栗战惧，有弃湘、粤、桂、赣、川、滇、黔七省与明帝媾和之议”。顺治听说尼堪阵亡，大惊失色。尼堪尸体运回北京，和硕亲王以下均出城迎接。湖南军务只好委于洪承畴了，李定国行军作战九个月，秋毫不犯，纪律肃然。以致于百姓不知有兵，连少数民族的百姓都对李定国约束军旅表示由衷的钦佩。
李定国的北伐战役不足一年，纵横数省，收复湘、桂，击败清军数十万，面对的全是满清统治核心女真八旗主力，两蹶名王，天下震动。这是自从明朝万历年间以来，明清作战清军的最大损失！掀起了继1647年第一次抗清高潮后的第二次抗清高潮。黄宗羲赞道：“李定国桂林、衡阳之战，两蹶名王，天下震动。此万历戊午以来全盛天下所不能有。”
此时，另外几路明军也取得了空前的胜利，东南张煌言光复浙江大部分地区，朱成功光复福建、广东潮州等地，白文选光复两川之地，李来亨收复襄阳等重镇。大明中兴在望，清顺治言自己乃“夷狄之君，非中国之主”，称要“哪里来，回哪里去”。满清统治接近崩溃，再无可用之军，全国女真壮丁数目据统计已不足四万，再无军队可以南征。此时，李定国与白文选、张煌言、朱成功三人一起被时人称为大明中兴四大名将。
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