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当唐朝平定了薛举，统一了关陇，正踌躇满志地准备再次兵发洛阳，进而平定天下之际，却突然挨了当头一棒。在马邑安分了近两年的刘武周突然向李渊的老巢山西发起了进攻。李渊成也突厥败也突厥，之前与突厥交好牵制得刘武周不敢妄动，谁知现在一看李渊真的有希望一统天下了，突厥立马就支持刘武周向李渊实施暗算。刘武周军横扫河东之后大肆抢劫，给当地百姓造成了深重的苦难，当地的地主豪强也同时遭了殃，损失巨大。于是势力强大的地方地主豪强们纷纷结寨自保，以对抗刘武周。李渊考虑太原是根基所在，决不能失，因此将关中大部分的机动兵力都调给了李世民，任命他为总帅再次出征。平定刘武周能获得胜利，以往史家多认为是李世民一人之功，其实在战争的过程中，李渊在其中所起的作用一样非常重大。当李世民在柏壁与宋金刚主力相持之时，唐军对宋金刚军侧面的打击均是李渊来进行筹划和调度的，父子此战配合得天衣无缝，才最终赢得了胜利。
刘武周的突然南下让李渊花了一年多的黄金时间没来参与中原的争霸战。这边王世充干了什么呢？他除了将傀儡隋皇泰主给赶下了台，自己“建立”郑国，做了皇帝之外，基本没干什么值得称道的事情。当然不是王世充不想干，而是在这一年中，虽然他没怎么打仗，但是却深陷政治危机当中。
危机的产生与王世充称帝有很大的关系。皇泰主虽然在当时不过是一个摆设，但却是依旧对隋朝忠诚的人眼中的共主，甚至被大多数反王所承认，号召力非常强。如果王世充聪明点，学习曹操挟天子以令诸侯才是最优的选择。可是王世充被眼前的蝇头小利所蒙蔽，结果政治危机便随之而来。首先众多旧隋大臣对此心怀不满，开始谋划对付王世充。礼部尚书裴仁基、左辅大将军裴行俨父子与尚书左丞宇文儒童、尚食直长宇文温兄弟及散骑常侍崔德本等数十人就策划政变，企图将王世充推翻。虽然由于泄密导致事败被杀，但是此次事件的爆发使得王世充政权内部加速分裂。兼之王世充出身非常尴尬，因此形成了气量狭小又喜欢猜忌的性格。他虽然非常重视军队，但是行事作风总给人一种刻意笼络、刻意利用的感觉，如果没有了利用价值或者是挡了他的路，立马就会翻脸不认人。最典型的就是对待罗士信。
王世充击败李密之后罗士信被俘，他知道罗士信骁勇，就与他同吃同睡，极尽笼络之能事，可是在得到邴元真等降将之后就开始疏远罗士信，甚至王世充的侄儿王道询知道罗士信有一匹好马，索要不果之后，王世充居然硬从罗士信手中将马抢走赐给了侄儿。罗士信勇猛过人，十四岁便能披两重重甲，携带两支装满箭支的弓箭袋上马作战，如此猛将遭到这样的对待怎么能让人不心寒？当时朝廷有个祭酒叫徐文远，他对王世充有过这样一番评价：“我对李密摆架子那是因为他是君子，有肚量容人，而王世充是个彻头彻尾的小人，连老熟人都说杀就杀，我怎么敢对他不拜呢？”遇到这样的领导有谁会真心为他卖命呢？于是秦叔宝、程知节、李君羡、罗士信、吴黑闼、牛进达、席辩、杨虔安、李君义及豆卢达等骁将先后降唐，可谓是“世充跌到，世民吃饱”，王世充甘做活雷锋，向唐朝输送了大量的精英人才。当然王世充本人是绝不甘心当雷锋的，因此只能靠严刑峻法来进行统治，洛阳城内如果有一人逃亡，那么全家都会被处死；如果一家逃亡，那么四邻就全部处死。为了防范部下军将的逃亡，王世充居然将洛阳内宫城改成了监狱，出征的将帅家属全都要在这里受到无微不至的“照顾”。不过古人认为“妻子如衣服”，所以该逃还是照样逃，结果此监狱里的犯人激增，达上万人，之后因为洛阳断粮而每天饿死的就有数十人。
人才的流失所形成的反应是连锁的，当刘武周突然南下，将山西唐军打得鸡飞狗跳之际，王世充也想从中占点便宜。他派人攻陷了义州，逼近风陵渡，这个时机抓得不可谓不准。可是王世充的军队实在太过废柴，李渊用了一招就把王世充的军队给打了回去，那就是任命刚投诚过来的罗士信为陕州道行军总管，让他去王世充的腹地打游击。罗士信对王世充的怨恨之深已经到了一个匪夷所思的境地，作战简直如有神助。他先是夜里潜入洛阳城的外城清化里街坊，一把火将那里烧了个干净，然后又打下了青城堡（今河南洛阳西北），最后还把慈涧（今河南洛阳市西）给围了。王世充派太子王玄应去救援，却被罗士信一枪捅下马。不过王家有穿两层铠甲的传统，王玄应算是捡回了一条小命。罗士信在洛阳这么使劲地闹腾，王世充却一点办法都没有，不是他不想管，而是实在手下没有什么人才，想管都管不了。
俗话说柿子捡软的捏，王世充这么软的柿子实在是不多见，不打他打谁？因此在扫平刘武周后仅仅休整了三个月，李渊便于武德三年（620）七月一日发布了对王世充的讨伐令，命李世民为统帅，率七总管二十五员大将、十余万人从潼关东进，杀奔洛阳。当然不是说一下令决战，双方才开始大打出手，而是两方之间的战斗一直就没有停止过。之前罗士信就在打慈涧，双方一直在此地纠缠不休。王世充一开始忙于镇压异己之类的活，没空理会罗士信，结果罗士信还就耍起了无赖，就是不走了，没事就在慈涧周围打游击。最后惹得王世充性起，亲自率领了三万军队来围剿罗士信，谁知却同李世民征讨洛阳的大部队撞上了。两军对峙当中李世民有个很不好的习惯，就是喜欢自己当斥候，领了小部队侦察敌情，这样固然能看清楚敌人的虚实，但同时也把自己置于危险的境地。他之前对宋金刚这样玩过一次，结果差点被抓住。这次又来，结果遇上了单雄信，又被围住，李世民仗着自己的弓箭技术大杀四方，还俘虏了王世充的左建威将军燕琪。此战李世民又遇到了自己的老友单雄信，据说就在单雄信要挥枪刺中李世民的时候被李世民所喝止。其实这段记载不怎么可信，换了谁也不会在这时候放过这天大的功劳，更别提单雄信这个天性凉薄的人了。因此就算是真的有这样的场景发生，也应该是李世民用弓箭杀出一条血路，已经去得远了，而李世民断后与单雄信相遇，单雄信眼看追不到李世民，就干脆卖老兄弟一个面子，撤兵回营罢了。李世民回到营地的时候满脸都是灰尘，非常狼狈，连卫兵都认不出他，差点又要厮杀一番，最后李世民脱掉头盔才罢战。对这次遭遇战王世充也挺吃惊，本来是想用大部队压死罗士信的，哪里知道唐军已经派大部队杀了过来，于是赶紧撤军回到洛阳据守。
面对李世民的大军，王世充的应对方式是让自己的几个儿子分兵把守重要的据点，魏王王弘烈守襄阳（今湖北襄樊），荆王王行本守虎牢关（今河南荥阳西北），宋王王泰守怀州（治今河南沁阳），他本人与其余几个儿子率主力把守洛阳城的各大组成部分。其实王世充也没什么策略，说白了就是搞了一个乌龟阵，洛阳每个据点都是易守难攻的坚城，硬打的话没个一年半载很难成功。这么长的时间里谁都不能保证会发生些什么，因此王世充打的是用时间来拖垮唐军的算盘。这种战略其实并不高明，等于将除了这几个据点之外的广阔地盘拱手让人，让李世民一方拥有了战略主导权。当然王世充也不是傻子，之所以会有这样的防守布局也是出于无奈。洛阳是所谓的四战之地，也就是非常容易被攻击，而单单对来自西面的威胁来说，如果要御敌于国门之外的话，就必须抢下潼关或者守住函谷关，实在不行，在宜阳依靠地形重兵把守也能凑合，可问题是这些易守难攻的关卡一个都不在王世充的手中。此外唐朝在击败薛秦势力之后拥有了大量的马匹，机动力比以前有了本质性的提升，而王世充则跟李密拼得元气大伤，马匹严重不足，无论是战场情报的获取、机动力，还是战斗力都比唐军差很多。因此王世充此时没得选择，只能缩进坚城死守。
而李世民的应对策略也很简单，他首先将大本营安扎在洛阳西北的北邙山上，居高临下指挥全局。然后开始分兵，派史万宝部从宜阳（今河南宜阳西）攻占龙门（今河南洛阳南），切断洛阳与南面襄阳的联系；派刘德威部翻越太行山，围攻怀州，隔断洛阳与北方和东面虎牢的联系；派王君廓部切断洛口仓（今河南巩义东北）向洛阳的粮道；派黄君汉部南下河阴（今河南孟津东），进攻回洛城（今河南孟津县东），断绝洛阳与回洛仓的粮道。李世民的意图很明确，就是死死看住洛阳的王世充本部，再分兵把洛阳的粮道全部斩断，接着将王世充几个儿子所把守的据点能拔除就拔除，不能拔除的就看死，让王世充彻底变成一只死乌龟。
王世充也知道形势不妙，在八月中旬，二人在洛阳西北的青城宫阵前开始摊牌。王世充要求李世民与他“息兵讲好”，而李世民则声称自己：“奉诏取东都，不令讲好也！”
王世充苦苦哀求也没让李世民心动，两家只能继续开打。在唐军绝对的战场机动和家族号召力优势面前，王世充的局面急剧恶化。被唐军困死所有重兵把守的据点之后，洛阳周边的郡县长官一面倒地向李世民投降。在形势一片大好的情况下，李世民又开始犯喜欢亲自侦察的毛病，九月二十一日他率五百骑登上北邙山魏宣武帝景陵察看敌情，谁知道王世充居然率万人杀出，将世民围在核心。这时候又是单雄信拍马赶到，挥起马槊就朝李世民刺去，可是他不知道此时李世民身边有了一个超级保镖尉迟敬德，结果被他从旁边一槊刺到马下，又护送李世民冲出重围。要说王世充军别的没有，那盔甲真叫一个精良，这次单雄信被尉迟敬德借助马力刺倒都没事，实在不是一般的重甲防护。李世民与尉迟敬德二人杀出之后居然还不罢休，招呼了一群唐军骑兵接着与郑军缠斗，如入无人之境。此时屈突通又率主力大军赶到，内外夹击，郑军大败，斩首千余级，郑国冠军大将军陈智略被擒，六千王世充起家的老底子——江淮排槊兵被俘，王世充只身逃回洛阳。此战后李世民对尉迟敬德说：“以前大家都说你会叛逃，天意让我相信你是忠诚的，果然现在你救了我的命，这回报来得也太快了吧？”这句话与其说是对尉迟敬德说的，还不如说是对当时全体在场的唐军将领说的。虽说尉迟敬德在会不会叛变的问题上得到了上位者的支持，但是身上背负着叛变的名声，在军中受到排挤是免不了的。这个问题李世民也很难解决，如果强力介入的话，不但帮不了尉迟敬德，反而会让他更受孤立。而现在尉迟敬德立下了大功，足可以证明他的忠诚，李世民自然要在全军面前敲打一下，让他们知道不要再用老眼光看人。此战还被后人改编成了经典剧目——“单鞭夺槊”，让尉迟敬德在历史上留下了重重的一笔。
李世民可能是中国封建史上最喜欢喜排场的皇帝。他攻打洛阳的时候闲着无聊，就精选了千余精锐骑兵，从上到下一身黑衣黑甲，分左右两队，命秦叔宝、程知节、尉迟敬德、翟长孙这四大猛将统领，这就是历史上赫赫有名的玄甲军。当然帅归帅，这玄甲军可不是样子货，战斗力也是超一流，郑军遇到他们无不被打得丢盔弃甲，可以说是唐军的杀手级部队了。
唐郑两军从九月相持到十一月，此间突然北方告急，“狼要来了！”眼看新兴的中央帝国就要走上复兴的道路，突厥人如芒刺在背，他们还没有忘记统一的隋帝国给他们造成的伤害，因此小动作开始越来越频繁，越来越露骨。他们公然册立隋齐王遗腹子杨政道为帝，以此为旗号聚集反唐势力，与意欲一统天下的唐王朝对抗。突厥最先是扶植中原的各种势力阻挠唐朝的统一进程，后来眼见各大势力纷纷败阵，最终自己赤膊下场，与唐王朝作正面对决。
上半年李世民收复太原时，新即位的突厥处罗可汗就自称“援军”赶下来占住马邑等地，李世民的大军一走更打着“盟友”的旗号到太原晃了一大圈，留下好些突厥兵“帮李家镇守”。当时留守太原的并州总管李仲文拿处罗可汗没办法，又有人告他其实是想和突厥联合。对于这个地区，李家如今颇有些惊弓之鸟的紧张感，立刻暂废并州总管府，诏李仲文回朝，又派唐俭前往安抚并州，并调查李仲文是否有背叛的行为。如今看着李家要攻下洛阳，唐的势力越来越雄厚。偏偏此时北方边境上一个小“反王”、同时本是突厥“打手”之一的郭子和，与突厥的另一个“打手”梁师都起了冲突，他怕被报复，干脆降了唐，又和唐朝一起策划对付梁师都。而梁师都也不甘示弱，他投靠突厥，极力劝说处罗可汗南侵。于是在武德三年，突厥处罗可汗在梁师都和自己的王后（即可贺敦）隋义成公主的怂恿之下计划分兵四路大举南侵，西路莫贺咄设（处罗之弟咄苾，也就是后来的颉利可汗）出兵原州，中路泥步设与梁师都出兵延州，处罗出兵并州，突利可汗与奚、契丹、靺鞨等族出兵幽州，窦建德率兵自滏口（今河北磁县西北石鼓山）西入，两军会于晋、绛二州，意图一举攻占整个山西，然后直杀向长安。
收到警报的李渊一面让建成到蒲坂城镇守预备，一面派大臣郑元去说服处罗不要派兵，至于条件也不外乎“子女玉帛”之类。可是这一次却没那么便宜了，处罗是为了日后族群的发展而做下的决定，一些财富贿赂是起不了作用的。但说来也巧，就在这当口上，处罗可汗于当年十一月突然病死，享国仅十八个月。
突厥人怀疑是郑元毒死了处罗，当然李家打死也不承认，两家打起了口水战。最后演变成了历史上非常有趣的一幕，突厥人扣留了郑元，李渊就又派自己的侄子向新任颉利可汗送礼，结果颉利想要羞辱他，要他行跪拜之礼，李渊之侄拒绝了，结果也被扣留。然后李渊又派李世民的叔岳父长孙顺德出使，又被扣留。李渊被惹得性发，豁出去了，也扣留了突厥在唐的使者，突唐两家的关系就此开始冷淡下来。
处罗可汗的死到底真的是老天爷帮忙，还是李家自己帮自己，到今天已经很难确定。从李家当时的形势来看，处罗的死还真是最符合李家利益的选择。郑元此人是个老外交，以前就出使过突厥，据说是一个相当“干敏”的人，又会察言观色、又口舌如簧，可能性还真是不小。
此事之后唐王朝一改以往谨守藩臣礼的卑下姿态，使者书信往来由“启”改为了平等的“书”，此后还派遣使者联系西突厥，组成针对东突厥的军事同盟。最后全面加强边塞防御，在各种关卡要道上修筑堡垒要塞，作为防御突厥的屏障。这几管齐下，突厥人意识到唐朝实在不是一个好吃的果子，加上处罗新丧，新任颉利可汗即位后必须稳定内部，因此新生的唐朝赢得了一段难得的休战期。
在郑唐两军相持期间，又有更多的王世充部属向唐军投降，王世充除了几座孤城之外几乎什么都没有了。王世充知道大势已去，只能于十二月上旬派人向窦建德求救。到了武德四年（621）的二月，虎牢关向洛阳的粮道也被唐将李君羡截断，王世充之子王玄应率领的护粮队全军覆没，王玄应只身逃往洛阳。自此洛阳与虎牢关分别被彻底孤立，唐军总攻的机会终于来临了。
二月十三日，李世民指挥唐军主力从北邙山南下，主攻箭头直指洛阳青城宫。唐军的决战意图其实也是王世充求之不得的，眼看洛阳已经被困死，还不如拼死一搏。李世民的性格一向喜欢率精锐骑兵冲杀在前，决战中万一李世民被打死或者重伤，那就很有希望再次上演咸鱼翻身的好戏。于是王世充趁着唐军的攻击营垒还未修好就率众两万从洛阳禁苑方诸门出动，凭借门东故马坊的坚固垣堑，临谷水对唐军摆下了一个防守的阵势。而唐军分兵之后绝对数量并不多，况且方诸门东地势险要，易守难攻，故马坊的垣堑高大坚固，将士们都觉得如果硬攻的话伤亡必定惨重。但是李世民的想法却与旁人不同，他对左右诸将说：“王世充力穷，若今天将其打败，以后他们就不敢再出战了。”因此直接让屈突通率领五千步兵涉水硬撼郑军正面，并且嘱咐屈突通两军交战之时就在战场上大放烟雾，搅乱战局。当烟雾燃起之后，李世民率精锐骑兵从北邙山冲下，与屈突通两面夹击。李世民一马当先突入敌阵，直冲郑军背后，郑军顽强抵抗，死战不退。由于青羊宫地形复杂，唐军骑兵被长堤阻拦，结果与李世民失散。李世民身边只有将军丘行恭单骑跟随。王世充的数名骑将蜂拥而上，李世民的坐骑被流矢射死，困在核心。危机时刻，丘行恭拨转马头，向驰近李世民的骑将张弓疾射，箭无虚发，追兵稍退，但他自己的坐骑也带箭负伤。行恭跳下马背，拔去箭矢，让李世民乘坐，自己手执大刀，跳跃大呼，连斩数人，杀开一条血路，终于引李世民冲出敌阵，与大军会合，此战是李世民作战生涯当中最为凶险的战斗之一。后来，李世民即帝位后，依然对此情景念念不忘，下诏在石碑上刻画丘行恭从马身上拔下箭矢的样子，立于昭陵，这匹马就是著名的昭陵六骏之一—“飒露紫”，现藏于美国费城大学博物馆。
在唐军的强大攻势面前，王世充亦率部殊死战斗，先后四次被打散，但又顽强地集结起来继续战斗。唐军骠骑将军段志玄杀入敌阵之后马匹被刺倒，结果被郑军所擒，郑军两名骑兵夹着他并抓住他的发髻，准备过河，段志玄奋勇跳起，将那两名骑兵拉得掉下马来，段志玄抢了马匹奔回唐军，后面有几百名郑军骑兵追赶都未能得逞。血战三个时辰之后，郑军终于支撑不住，被迫撤回洛阳城中。李世民率军追击，杀至洛阳城下，并将洛阳团团包围，此战郑军被俘斩七千多人，唐军亦损伤不小，从战术上来说唐军仅仅是惨胜而已，但是从战略上来说打破了王世充寄浑水摸鱼的希望，将郑军牢牢地困死在洛阳，已经立于不败之地。
第二天，王世充又率兵从洛阳城南右掖门出动，临洛水布阵。这时，原先被俘的唐骠骑将军王怀文趁世充收买人心而未加防范之际，突然用长矛行刺。由于王世充穿了两层重甲，长矛捅断了居然都没能伤到王世充，王怀文事败被杀。因为此事王世充还对手下得意洋洋地说：“这样都没事，难道不是天命吗？”结果就有个御史大夫叫郑颋的拿这个凑趣，对他说：“臣听说佛祖有金刚不坏之身，陛下莫不是佛祖转世？臣太幸运了，降生在佛祖的时代。臣愿意弃官削发遁入沙门，精研佛法，以助您的神武。”其实这明着是夸王世充，目的却是不愿意同王世充再有瓜葛。王世充哪里听不出来，于是就答道：“你是国家大臣，一向声高望重，一旦进身佛门，必将惊世骇俗。等到战事过后，一定尊重您的志向。”结果这郑颋回去居然真的剃了发出家，被王世充当即斩首。从此，洛阳城内的人心更加离散。
二月二十二日，王世充的河阳（今河南孟州南）守将王泰弃城逃走，部将赵夐等举城降唐。此时的洛阳缺粮，王世充命大将单雄信、裴孝达进军洛口，企图夺回洛口仓。唐将王君廓与之相持。李世民亲率步骑五千援助，单雄信等闻讯当即向洛阳紧急撤退，王君廓率众追击，郑军大败。
李世民回师洛阳城北之后开始指挥唐军向洛阳宫城发动进攻。此时洛阳在多年的攻防战的洗礼下已经变成了一个超级战斗堡垒，城中所造的投石机将五十斤重的石块抛出两百多步（合今三百余米）；用八张弓撑起的弩车所用的弩箭粗细如车辐一般，箭头更是像大斧一样，可射五百多步（合今七百五十米）。如此严密的防守，以当时的科技而言，无论战斗力多强的军队恐怕都难以攻克。因此唐军虽四面攻打，昼夜不息，但连攻十多天都没什么成果，反而伤亡与日俱增。由于作战时间过长，唐军将士们均产生了厌战心理，思乡情绪越来越重，于是将领们纷纷请求撤军。但李世民的字典中是没有放弃这一说的。他下达了死命令：“洛阳不打下来绝不班师，如果再有人议论撤军就立刻处死！”下达了命令之后李世民立刻派封德彝入长安汇报情况，取得了李渊的首肯，借最高指示强力压下了军中的不满情绪。
而王世充的内部愈加不稳，在加强防务之后居然抓获了十三名想要翻越城墙逃跑的将领，眼看王世充的势力就要分崩离析。
二月三十日，镇守虎牢关的郑军部将沈悦派人向李世民暗中投诚，并愿意作内应。李世民当即派遣王君廓连夜东进，突袭虎牢关，在沈悦的策应之下，虎牢关被顺利拿下，王世充的儿子荆王王行本等被俘。
到了三月中旬，洛阳城内已经被封锁得一个苍蝇都飞不出去了，极度缺粮的洛阳城可以用人间地狱来形容。城内绢一匹只值粟三升，布一匹只值盐一升，其余服饰珍玩，贱如粪土。城内的青草树皮全都被老百姓吃光，最后他们只能用泥土充饥，结果全都患病而死。当年的三万户人家存活下来的连三千家都不到，连公卿大臣们饿死的都不在少数。王世充无计可施，只能焦急地等待窦建德的援兵。
在消灭掉唐朝的河北军团之后，窦建德对之后的战略举棋不定。当时河北、山东大部都已经在窦建德的掌握之中。对在自己手中的地盘，窦建德颇花了一番心思治理，据说境内“夜不闭户”，包括李渊在内，在隋末没有一个反王能做到这一点。但是窦建德虽然内政做得很好，但是对外扩张的目标却开始混乱。为了博取窦建德的信任，假装投降的李世绩倒是给他出了一个好主意，建议去攻打南边的孟海公。如果此计划顺利实施，窦建德将拥有黄河两岸，下一步便可以沿河西进，攻略河南。可是志得意满的窦建德虽然很赞赏李世绩的意见，却还惦记着几次攻打幽州失败的经历，一心要找回场子。因此又回军去进攻幽州，结果再次遭到了失败，白白浪费了几个月的宝贵时间。到了武德三年年底才重拾李世绩的计划，南下进攻孟海公。从之后的局势发展来看，这几个月的延误对窦建德可以说是致命的。
当然不管窦建德的战略如何，他一直在紧密关注唐郑之间的战事，毕竟这对夏政权日后的生存发展有极大的影响。窦建德有两个选择，第一个便是联唐攻郑，因为皇泰主的缘故王世充与窦建德的关系已经非常恶劣，双方甚至打过两场。唐军在攻打王世充的时候还派人邀请过窦建德，意图联合出兵消灭王世充。如果窦建德答应了，河南现成的大片土地就可以轻松到手。第二个便是联郑抗唐，当时唐朝据有关中、山西、陇右和巴蜀，已经具备了横扫天下的基础，如果窦建德不及早做出应对，那么下一个必然会轮到自己。一开始窦建德并没有答应唐朝的提议，只是送回了之前唐军河北军团覆灭时被俘的同安公主，还在进行观望，希望两家能拼得两败俱伤。可是没多久窦建德便发现王世充崩溃的速度比他想象得要快得多，眼睛一眨已经到了覆灭在即的边缘，因此不得不对王世充进行救援。
此时窦建德还在进攻曹州（今山东定陶）的孟海公势力，因此腾不出手来，只能派其礼部侍郎李大师等向李世民表达窦建德希望两家罢兵的意思。窦建德当然知道唐军没那么容易罢休，之所以派遣使者一个是给唐军施加心理压力，另一个就是观察唐军的虚实，看看是否有可乘之机。窦建德的小算盘打得啪啪响，但李世民也不是白痴，直接把使者给扣住不让他们回去，让窦建德的打算全部泡汤。此时窦建德对唐郑战争的态度已经十分明显，因此李渊趁窦建德率部渡河进攻曹州的孟海公时，派将军刘世让率兵从河东出土门（即井径口，在今河北鹿泉西南），偷袭夏国都城治州（治今河北永年东南，窦建德于武德二年十月由乐寿迁都于此），企图拖延窦建德援助王世充的脚步。
武德四年（621）三月，窦建德地击败孟海公，孟海公投降。十六日，窦建德派部将范愿镇守曹州（治今山东定陶西南），征发孟海公与徐圆朗等人的部众，与本部兵马组成十万大军，亲自援救洛阳。从周桥西进，援救洛阳。
二十一日，进抵酸枣（今河南延津东），接着，又相继攻克管州（治今河南郑州）、荥阳、阳翟（今河南禹州）等地，水陆并进，泛舟运粮，溯河西上。王世充之弟徐州（今属江苏）行台王世辩派部将郭士衡带兵数千与窦建德会合，号称三十万大军杀奔虎牢关。
窦建德做出援救王世充的决定之后行动速度已经算是很快，但还是晚了一步，虎牢关已经先期陷落，窦军只能屯于虎牢关东原（即东广武，在今河南荣阳东北广武山上），与镇守虎牢的唐将王君廓部形成对峙态势。
由于虎牢关被占，窦建德只能在板渚（位于今荥阳西北汜水镇黄河侧）修筑宫室，作长期进攻的准备。另外派人绕道入洛阳，给王世充打气。窦建德的到来给了唐军极大的压力，此时洛阳又久攻不克，唐军内部开始出现了严重分歧。宋州（治所在今河南商丘南）刺史郭孝格和记室薛收等人认为，王世充缺粮但是装备精良，窦建德士卒精锐又运来大批粮饷，两者正好取长补短，因此决不能让他们合兵一处，否则唐军便会有大麻烦。此时应该用主力继续围困洛阳，李世民率精锐依虎牢关坚城据守，等窦建德露出破绽再一举击败他。但萧瑀、屈突通和封德彝等人却认为，唐军已经疲惫思归，王世充据守坚城，不易攻克，窦建德又驱大军援救，势不可当。唐军如继续围城，将会腹背受敌，这决非上策。因此，他们主张将唐军攻占洛阳周边的军队集结起来，撤往新安，也就是慈涧地区唐郑战争的起始点，再看看有没有机会。李世民对大势看得很清楚，他就说王世充现在大势已去，也就剩下最后这一口气，很快就会完蛋。而窦建德虽然兵势凶猛，但是却被我们占据了有利地形，打防守战我们必然能获得胜利。如果窦建德拖时间，那么王世充不出一月就会完蛋，到了那时我们集合主力，必然能一举击败窦建德。如果放窦建德入关，那么敌人的军势会大大加强，哪里还会有机可乘呢？于是他决定让齐王李元吉统帅围困洛阳的守军，屈突通等部将协助，自己亲率骁勇三千五百骑东援虎牢关。
三月二十五日李世民抵达虎牢之后不顾行军疲惫，第二天就率五百精锐向窦建德的营地进发，要亲身观察窦建德军的虚实。走到半路上李世民让李世绩、程知节、秦叔宝这三员大将率领士兵们分散埋伏，自己身边只留下尉迟敬德这个“天下第一保镖”和另外三个骑兵。当时李世民豪气万丈，对尉迟敬德说：“我拿弓矢，你执马槊，前面就算有百万敌军又能怎么样？”走到离窦建德大营还有三里地的时候他们遇到了窦建德的巡逻哨，他们还以为李世民是唐军一般的斥候，都懒得搭理他。结果李世民喊道：“我是秦王！”射死了一个敌人，这才引动了窦建德军中的大部队，据说一下子出动了五六千骑兵来追杀。李世民则毫无畏惧，策马慢慢地走，等追兵快杀到的时候就用弓箭射击，每次都能射死一个，让夏军追兵惊惧不已。李世民前后射杀数人，尉迟敬德则杀了十几个，终于让追兵不敢再追。但李世民又在追兵面前显摆，引诱敌人来追，将夏军诱入了伏击圈。最后伏兵大起，夏军大败，被斩首三百余级，两员夏军将官被俘。羞辱了窦建德之后李世民还写了一封信，大概意思就是王世充大势已去，您还是引兵自归吧。
从这次探营的行动可以看出，夏军还是一副典型的农民军的架势，完全没有正规化。李世民等人距离窦建德大营只有三里的时候才被巡哨发现，后面的追击也没有任何章法。看到夏军是如此水准，李世民心里有了底，之后的战略布置更加挥洒自如。
王世充得到窦建德来援的消息心下大喜，居然又让手下大将杨公卿、单雄信向唐军挑战，可是这次唐军的统帅换成了李元吉，唐军战斗失败，行军总管卢君谔战死。但是这场胜利并没有打破唐军对洛阳的包围，王世充依然只能无奈地盼望窦建德的解围大军快些到来。
窦建德对虎牢雄关无可奈何，攻城战是个技术活，本来就是农民军的短板，所以窦建德数次攻打幽州而不克，这次又遇上守城专家李世民，那更是连连吃瘪。夏军本来就是几部势力拼凑而成，素质良莠不齐，又因为几度失利使先前的锐气消磨殆尽，人心思归。李世民又派王君廓率千余轻骑打击窦建德的粮道，也获得了很大的成功。这时候开始有人向窦建德进言，建议他不要顿兵在坚城之下，应率军过黄河，翻越太行山，联合突厥去打李渊此时空虚的老家山西，这样可以达到围魏救赵的目的。其实这个建议就是突厥的处罗可汗向窦建德提议过的战略，只不过因为处罗的突然死亡而遭到搁置。虽然这个建议得到了窦建德妻子的首肯，但却被窦建德否决。窦建德的意见是王世充已经危在旦夕，如果重新改变战略去打山西，搞不好军队还没到山西王世充已经被扫平了。其实现在看这个建议，虽然在纸面上很有道理，但是以夏军的素质，想要翻越太行山入山西实在是一件非常困难的事情，如果在山地被唐军伏击，其危险性比在平原上面对面地决战要大得多。此外翻山越岭去进攻山西，对夏军的后勤更是一个巨大的考验，此时窦建德的后勤没有出什么大问题是因为他掌握了黄河，用河运来输送物资要比用陆路方便得多，但是打山西的话显然不可能用这样的办法，如果被截断了粮道，那真是“叫天天不应，叫地地不灵了”。这个战略实在是纸上谈兵，书生之见。
老是在虎牢关下停留也不是个事，窦建德终于决定向虎牢关发起总攻。不久唐军就得到情报说窦建德将趁唐军马匹饲料用尽，在黄河北岸牧马之际，袭击虎牢。武德四年（621）五月一日，李世民北渡黄河，南临广武（即西广武，在今河南荥阳东北广武山上），侦察敌情。最后决定，将计就计，故意留马千匹在河滩之上，引诱敌军出击。第二天，窦建德果然全军出动，北倚黄河，南连鹊山，在汜水东岸南北宽二十多里的宽阔地带布置军阵。王世充的部将郭士衡也率部在窦军之南布阵，“绵亘数里”，大肆“鼓噪”，以壮声威。面对压境强敌，唐将都有点心怯。李世民率数骑登高瞭望后，对众将说，窦建德兴起山东，从未参与大战，现在冒险喧嚣，一点纪律都没有，逼城布阵，对我军十分轻视。我军如果按兵不出，敌军的勇气自然会低落下去。过不了多久敌人必然会因为饥疲而退兵，那时候我军趁势出击，必胜无疑。并对诸将发誓说：“过了中午就能打败他们！”因此，他严阵以待，尽管窦建德多次派兵挑战，他也拒不出击。
面对作乌龟状的唐军，窦建德也有点急。于是也学李世民，派了三百精锐骑兵渡过汜水，在距离唐营一里的地方停下，派人向唐军挑衅：“有种你们也找几百精锐，咱们比试比试！”对于这样的挑战李世民从来不会回避，当然更不会以多欺少。他。仅仅派王君廓率二百步兵手执长矛应战。两军交锋之下，乍进乍退，两无胜负，各自引军退回。此时王世充的侄子，代王王琬骑着隋炀帝的御马，马甲齐全，全套重型披挂，在两军阵前耀武扬威。李世民也是爱马之人，于是赞叹道：“这真是一匹好马啊！”尉迟敬德听见后，便如《三国演义》里面赵云为刘备取的卢马一般，决意要为李世民夺下这匹好马。李世民当然不肯，说：“怎么能为了区区一匹马让我军猛将陷入险境呢？”尉迟敬德执意不肯，硬是与高甑生、梁建方三骑将冒着枪林箭雨直冲入敌阵，擒下王琬，牵着他的马回归本阵，夏军内无人敢阻挡。战斗到这个份上，李世民感觉时机已经成熟，于是派人召回留在河滩上的战马，准备开始总攻。
窦建德从辰时布阵，到午时已历三个时辰，士卒饥渴困倦，农民军纪律差的弱点暴露无遗。有的席地而坐，有的争抢饮水，有的准备退却。李世民看到决战的时刻已经来到，便命令宇文士及率三百余骑从窦建德军阵西面驰向阵南，进行试探性攻击。并告诫说，如敌阵不动，应立即退回，如阵势移动，则引兵向阵东进发。宇文士及率部驰至窦建德阵前，夏军果然骚动。这时，河滩上的战马也被领回，李世民立即下令唐军全线出击。他亲率轻骑首先冲出，唐军主力紧随其后，东渡汜水，直向夏军阵前杀来。窦建德此时正要召集群臣议事，唐军突然杀来，这帮大臣乱作一团，匆忙奔向窦建德处躲避，结果反而阻塞了夏军骑兵的道路。窦建德只得在宫室前面挥手让群臣后退，使骑兵抵抗唐军。但混乱之中，唐兵已至。窦建德大惊失色，慌忙向东陂撤退。唐将窦抗率部紧追，夏军拼死抵抗，唐军一时不得寸进。这时候李世民拍马赶到，率骑兵接阵冲击，所向披靡。当时淮阳王李道玄挺身陷阵，直出敌后，又突阵而归，往来两次，飞矢集身，状若猬毛，而勇气不衰。他张弓劲射，敌军皆应弦而倒。其余将士亦奋勇向前，喊声大作，尘埃蔽天。李世民率史大奈、程知节、秦叔宝等勇将在激战之中直穿敌后，在夏军阵后打起了唐军旗帜。夏军将士望见阵后唐旗，遂全线崩溃，向西撤退，唐军追击三十多里，歼敌三千。
窦建德在逃跑的时候被追兵连捅数次，他可没有王世充那么好的盔甲，逃至牛口渚就被车骑将军白士让、杨武威追上，慌忙之中窦建德连马都控不住，直摔下马。当时白士让就要拿马槊刺窦建德，这时候窦建德表现得实在不像一个好汉，他大叫道：“别杀我，我是夏王窦建德！”可叹一世豪杰，到此英雄末路之时，也只能作此情状。真所谓“时来天地皆同力，运去英雄不自由。”杨武威追上来将窦建德俘虏。窦建德见到李世民后两人间的对话颇为有趣，李世民责问说：“我军讨伐王世充，跟你有什么关系？居然敢越境挑衅？”窦建德却说：“我如果不来，您以后还不得大老远跑河北抓我？那多麻烦！我现在送上门岂不更好？”
夏军见主帅被擒，相继投降的有五万多人，李世民将其全部遣归乡里，只有窦建德之妻曹氏率数百骑逃回洺州。无论是李世民还是窦建德之前都恐怕万万没想到，此战居然会以这样无厘头的喜剧方式告终。
虎牢决战结束后，李世民率得胜之师回到洛阳城下，继续围攻王世充。沿途的偃师（今河南堰师东）、巩县（今河南巩义东北）以及洛阳故城（在今洛阳东洛水北岸）的王世充守将纷纷投降。王世充苦等了好几个月，没有等到窦建德的解围大军，反而等到了身为俘虏的窦建德。当李世民将俘获的窦建德和王世充的部将郭士衡等带至洛阳城下后，王世充立刻就崩溃了，与窦建德“相对无言，惟有泪千行”。他在绝望之余，向诸将提议突围而出，南走襄阳，但却遭到诸将的一致反对。王世充在突围无望、守城不得的形势下，于五月九日出城投降。第二天，李世民率军进入洛阳，严令守护街市，维持治安，秋毫无犯。又封存府库，将金帛财物分赏有功将士。只将王世充党羽中的段达、王隆、单雄信、郭士衡等十多人斩于洛水之上，其余不戮一人。这时候又发生了评书演义里面最著名的桥段之一——李世与单雄信的最后送别。李世与单雄信是好友，当年誓同生死，所以极力为他向李世民求情，说单雄信武艺超群，对国家有大用处，并且愿以自己的官爵赎单雄信的性命，留他为唐军效力，可是李世民不准。处刑当日，李世前往送行，单雄信说：“我就知道你不办事。”李世说：“我本当与兄同死，但是我既然以身许国，忠义就无法两全。再说我死以后，谁来照顾兄的妻小呢？”接着从自己的大腿上割下一块肉，说：“让这块肉随兄入土，不负我们当年的誓言！”单雄信死时李世恸哭不已，之后还收养了单雄信的儿子，将其抚养成人。在此种城头变幻大王旗的乱世年月，居然能有如此深厚的兄弟情义，实在是不容易。
此后按照李渊的老习惯，凡是称王称帝的反王一个不留，所以窦建德直接被被送斩长安。而王世充因为李世民答应不杀，因此李渊当时没有动手，王世充后来在徙蜀途中被仇家所杀，其余子侄也被安上谋反的罪名处死。两大反王的灭亡，终于让乱世到了终结的时候。
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