李自成起义军进入河南后，处于败而复振时期，兵力不足，遂由淅川、内乡沿伏牛山北上，这里山岭起伏，道路险阻，居民稀少，有着不少的无业流民寄居其中。十二月，连克鲁山、郏县、伊阳三县，二十一日到达宜阳。宜阳东距洛阳70里。位于洛河依山面水，北濒洛河，南紧靠锦屏山，形成一道扇形天然屏障。明知县唐启泰在城内固守，农民军英勇机智地登上锦屏山，观察城内动静虚实，发起猛烈进攻，一举破城，俘获唐启泰立即处斩，明确提出“不杀平民，唯杀官”。二十四日，继续西进，攻打永宁(今河南洛宁)。知县武大烈与退居乡里的明南京吏部验封司主事张鼎延在城内组织军民固守。武大烈守北城，张鼎延守南城，都司马有义守东城，守备王正已守西城。经过三昼夜激战，义军在李自成指挥下，用大炮轰开东城雉堞，城内狱徒牛可敬、魏之明与之配合，破狱而出，引导义军驾云梯登城，抓捕了知县武大烈、明万安王朱采和乡绅百余人，在县西关一一“过堂”公审后处斩。随即，连破熊耳四十八山寨，河南当地义军一斗谷率部来归，李自成的部队已增加到数十万人。不到一个月的时间，又连克偃师、灵宝、新安、宝丰，扫清了洛阳的外围。
古都洛阳乃豫西重镇，是福王朱常洵的藩府所在地。此人为明神宗第三子，生母是明神宗最宠爱的郑贵妃。子以母贵。朱常洵受到神宗的特别偏爱。按照神宗的意图是要立常洵为太子的。迫于传统观念与朝臣舆论压力，他才勉强同意立皇长子朱常洛为太子。由于朝廷的初衷不能如愿，于是挺击案、移宫案与红丸案接踵继起，使朝臣卷入这种没完没了的宫廷纷争的漩涡之中而无心思去处理国家的正常事务。同时由于朱常洵太子梦不能如愿，神宗便在经济上给常洵以补偿，不仅破例大行赏赐，对于福王庄田、食盐、商税等要求，无不一一应允，也无不朝报而夕可。万历二十九年(1601年)，神宗封他为福王，为他操办婚礼费用高达30万金，在洛阳为他修建壮丽王府，超出一般王制10倍的花费。亿万钱财，皆入福王藩围，福王要求赐田4万顷，由于没有那么多的土地可供赐予，只好减半。福王来到洛阳后，派遣府中官役，到处圈占土地，千方百计搜刮，聚集财富，富甲天下，过着纸醉金迷，穷奢极欲的生活，宁可让粮食糜烂在粮仓中，宁可眼睁睁地看着成千上万的饥民活活饿死，也不肯拿出一粒赈济贫苦百姓。因而，激起民众的强烈愤慨。李自成正是根据民众的这一迫切愿望，作出了攻打洛阳的决策。
崇祯十四年(1641年)正月，李自成在豫西的发展，当时在城内明南京兵部尚书吕维祺深感形势的严峻，他在给福王的信中说：“三载奇荒，亘古未闻。村镇之饿死一空，城市皆杀人而食。处处土贼盘踞，加以流贼数万阴相结合，连破鲁山、郏县、伊阳三县，又六日之内，连破宜阳、永宁二县。贼势汹涌，窥洛甚急。无坚不破，无攻不克。且饥民之思乱可虞，人心之瓦解堪虑。况抚台大兵无一至，虽有操、义二兵，亦无粮饷，及城头垛夫又皆鬼形鸠面而垂毙者。城中一无可恃，有累卵朝露之危。”他希望福王能够敦促河南巡抚李仙风急派军队来洛阳加强城防;并且建议福王为自己的身家性命着想，拿出钱来解决城内守军的粮饷。吕维祺以宜阳、永宁二城失陷为借鉴，说两座城里的宗室官绅，悠悠忽忽，靠天度日，一筹不划，一钱不舍，一言不听，今虽噬脐，悔之何益？希望朱常洵不要充当眼光短浅的守财奴，最后落到噬脐无及的地步。可是，要钱不要命的朱常洵却听不进去。
数十万农民军向洛阳聚集。十七日，河南府总兵王绍禹率刘见义、罗泰二副将赴援。绍禹要求入城守御，福王不许，王绍禹强行入城，而刘、罗二将则被拒绝，驻扎在东关。
李自成兵临洛阳城下。城内明军分兵把守：兵备副使王胤昌守西门，知府冯一俊守南门，知县张正学守东门，通判白尚文守北门，总兵王绍禹、推官卫精忠发游兵巡徼。由于缺饷，守城的官军士兵以至一部分中下级裨将怨声载道，大骂：“王府里金钱百万，厌食粱肉，而让我们饿着肚子死于贼手。”
十八日黎明，驻扎在东关的副将刘见义、罗泰的军队，声称出战，走到七里河，便投降了农民军，马上回戈反击。这天一早，李自成指挥部队同时发起攻势，战旗挥舞，杀声震天动地，经过一昼夜的拼搏，农民军侦知东面守备严密，兵力较强，西北面守备薄弱，根据这些情报，李自成立即改变攻城计划，由四面环攻，改成重点进攻，集中兵力，攻打城西北角，守卫在这里的是总兵王绍禹的队伍。王绍禹贪得无厌，长期克扣军饷，早为部下所愤恨。这时，士兵们看到农民军发起了总攻击，心中暗自高兴。就在二十日夜晚，数百名士兵起为内应，挥刀杀死城上的守敌，把参政王荫昌捆在城上，火烧城楼，打开北门，里应外合，农民军像潮水般涌进了城内。城里的民众像迎接自己的亲人一样，扶老携幼，欢迎农民军入城。
二十一日凌晨，李自成军占领了洛阳。体重300斤的福王朱常洵没有来得及逃跑，躲进迎恩寺，明南京兵部尚书吕维祺想逃跑也来不及了，相继被生擒活捉。当押解他们来见李自成时，朱常洵看到吕维祺便大叫：“吕先生救我啊！”吕维祺哭丧着脸说：“我命也在顷刻之间。”他劝朱常洵别忘了自己是当今皇上的亲叔，不要屈服。可是，贪生怕死的朱常洵一见到李自成，就体如筛糠，一个劲地叩头乞求饶命，李自成端坐殿上亲自审问朱常洵，怒斥道：你身为亲王，富甲天下。在这如此饥荒之年，不肯拿出毫厘赈济百姓，你真是个奴才。命左右打他四十大板后，将他的头砍下，挂在洛阳城门上示众，农民军还把他的尸体剁成肉酱，杂以鹿肉下酒，称福禄酒，以解心头大恨。当审讯吕维祺时，李自成说：吕尚书今日请兵，明日请饷，欲杀我们，现在你作何打算？第二天，李自成在城西关周公庙举行群众集会，痛斥“王侯贵人剥削穷人，视其冻馁”的种种罪行。并将他们处死，同时处死了吕维祺和前任河南知府亢孟桧等官绅，一些潜逃在洛阳的官绅如孟津县孙挺生、新安县王朝山、嵩县王翼明等也被农民军杀死。
李自成夺取洛阳后，俘获官军3000人，收缴了一批武器辎重，大大改善了农民军的装备，并使自己拥有了一支装备精良的部队。他没收了福王府中金银财货和大批粮食物资，发布告示开仓济贫，大赈饥民，令饥民远近就食。在农民军的这一号召与支持下，远近饥民风起云涌，打开了官府的仓库，扒开了福王朱常洵和富户的粮仓和地窖，夺得粮食数万石，金钱数十万，其他各种金银财物，不可数计。农民军留下一部分作为粮饷外，其余全都分发给了穷苦老百姓，得到广大群众的热烈拥护。李自成在准备移兵攻取开封时，委派原洛阳一名书办邵时昌为副将，用以募兵守城。同时授官的还有洛阳生员张旋吉、梅鼎盛等人。邵时昌等受命后，即募人为兵，每人每月发给银5两。饥民纷纷响应。李自成从中挑选500人，让他们旌旗列营城上。
李自成攻克洛阳是他走向胜利的重要标志。当时有人指出：“洛阳新破，所在震惊。”接着，开封告急，河朔危急，各州县请兵增援的文书，像雪片一样飞送到开封和京都，消息传到北京，朝中群臣，无不为之惊骇，崇祯帝气急败坏，下令把总兵王绍禹处死，将河南巡抚李凤仙罢官治罪。处在饥饿线上的民众，热烈响应李自成农民军的号召，纷纷参军。打这以后，李自成农民军壮大成为拥有百万的大军，成为明末农民军的主力，历史记载说：“远近饥民荷旗而往应之者如流水，日夜不绝。一呼百万，而其势燎原不可扑。自是而后，所过无坚城，所遇无劲敌，诸将皆望风走。即秉钺者以名节自许，不过以身予敌而已矣。”这是李自成平生的重大转折，也是明末农民战争的重大转折，从此农民军开始由被动变为主动，由劣势变为优势，由分散的、小规模的流动作战，进入大规模的、以夺取政权为目标的新阶段。