王世充的太子王玄应率领几千士兵，从虎牢运粮到洛阳，秦王李世民派将军李君羡截击，大败王玄应，王玄应仅以身免。
李世民派宇文士及回长安上奏，请求进军包围东都洛阳。唐高祖对宇文士及说：“回去告诉秦王：现在夺取洛阳，只是想结束战乱。攻克洛阳那天，隋朝的皇帝仪仗、图书典籍、器械，凡不是私人需要的，都交给你收管。其余的宫女、财物，全部赏赐给将士。”
辛丑日，李世民率军转移到青城宫，营垒还没修好，王世充就率领两万部众从方诸门出兵，凭借过去马坊的墙垣壕沟，靠近谷水抵御唐军，众将领都很畏惧。李世民派精锐骑兵在北邙山列阵，登上魏宣武帝的陵墓眺望敌军，对身边的人说：“叛军处境窘迫，出动全部兵力，想侥幸打一仗，今天打败他们，以后他们就不敢再出兵了！”命屈突通率领五千步兵渡过谷水攻击敌军，告诫屈突通：“两军交战就放烟为号。”烟柱升起后，李世民率领骑兵南下，身先士卒，与屈突通合力作战。李世民想了解王世充军阵的厚薄，率领几十名精锐骑兵冲入敌阵，一直冲到敌阵背后，叛军纷纷溃散，唐军杀伤很多敌人。不久，李世民被长堤阻挡，和骑兵们失散，将军丘行恭独自跟随李世民，王世充的几名骑兵追上来，李世民的马中箭倒地。丘行恭调转马头射箭，箭无虚发，追兵不敢上前。丘行恭下马，把自己的马交给李世民，自己在马前手持长刀，跳跃大喊，斩杀几人，冲出敌阵，回到唐军大营。王世充也率领部众拼死作战，军队溃散后又多次集合，从辰时到午时，王世充的军队才开始撤退。李世民率军追击，一直追到洛阳城下，杀死、俘虏七千人，随后包围洛阳。骠骑将军段志玄与王世充的军队苦战，深入敌阵，马倒被俘，两名骑兵夹住他的发髻，准备渡过洛水，段志玄奋力挣扎，两人都坠马。段志玄骑马逃回，几百名追兵不敢逼近。
起初，骠骑将军王怀文担任唐军的侦察兵，被王世充抓获，王世充想拉拢他，把他安置在身边。壬寅日，王世充从右掖门出兵，靠近洛水列阵，王怀文突然手持长矛刺杀王世充，王世充身穿铠甲，长矛折断没能刺入，身边的人猝不及防，都惊愕得不知所措。王怀文逃往唐军方向，到写口时，被追兵抓获杀死。王世充返回后，脱下铠甲，袒露上身对群臣说：“王怀文用长矛刺我，最终没能伤到我，这难道不是上天的旨意吗！”
此前，御史大夫郑飂不愿意在王世充手下做官，经常称病不参与政事，这时对王世充说：“我听说佛有金刚不坏之身，陛下您就是这样啊！我实在幸运，能生活在佛主的时代，希望放弃官职、剃发为僧，勤奋修行，来助陛下神威。”王世充说：“您是国家大臣，一向有声望，一旦出家，会让众人震惊。等战乱平息，我再成全您的心愿。”郑飂坚决请求，王世充不许。郑飂退下后对妻子说：“我从小做官，立志追求名节，不幸遭遇乱世，流落至此，在猜忌的朝廷中勉强立足，身处危亡之地，我才智浅薄，无法保全自己。人生终有一死，早死晚死有什么区别？不如顺从我的喜好，死也无憾！”于是剃发穿上僧衣。王世充听说后，大怒说：“你认为我一定会失败，想苟且偷生吗？不杀你，怎么震慑众人！”于是在街市上斩杀郑飂。郑飂谈笑自若，围观的人都为他的勇气感到钦佩。
唐高祖下诏追赠王怀文为上柱国、朔州刺史。
并州安抚使唐俭秘密上奏：“真乡公李仲文与妖僧志觉有谋反的言论，又娶陶氏女子，来应验‘桃李’的谣言。他讨好突厥可汗，很得可汗欢心，可汗答应立他为南面可汗。他在并州时，贪污受贿，声名狼藉。”唐高祖命裴寂、陈叔达、萧瑀共同审讯李仲文。乙巳日，李仲文被处死。
庚戌日，王泰放弃河阳逃跑，他的将领赵敻等人献城投降唐朝。王世充的别将单雄信、裴孝达与唐军总管王君廓在洛口对峙，秦王李世民率领五千步兵骑兵救援，抵达轘辕关，单雄信等人逃走，王君廓追击，击败敌军。
壬子日，延州总管段德操袭击刘仚成，击败敌军，斩杀一千多人。
乙卯日，王世充的怀州刺史陆善宗献城投降唐朝。
秦王李世民包围洛阳宫城，洛阳城内防守十分严密，大炮能发射五十斤重的石头，射程达二百步；八弓弩能发射像车辐一样粗的箭，箭头像大斧，射程达五百步。李世民从四面攻城，昼夜不停，十多天也没能攻克。城内有十三批人想翻墙投降，都没来得及行动就被杀死。唐军将士都疲惫不堪，想撤军回去，总管刘弘基等人请求班师。李世民说：“现在大举出兵，就该一劳永逸。东方各州已经望风归降，只有洛阳一座孤城，势必难以长久支撑，大功即将告成，怎么能放弃呢！”于是在军中下令：“洛阳没攻克，军队绝不返回，敢