辛丑日（十二日），李世民移军到青城宫，营垒还没有筑好，王世充率领部众二万从方诸门出来，凭借旧马坊的墙垣壕沟，面对谷水抵抗唐军，众将都恐惧。李世民把精锐骑兵布阵在北邙山，登上北魏宣武帝陵眺望敌阵，对左右说：“贼军形势窘迫了，倾巢而出，侥幸一战，今天打败他们，以后就不敢再出来了！”命令屈突通率领步兵五千人渡水攻击，告诫屈突通说：“一交战就放起烟雾。”烟雾升起，李世民带领骑兵南下，身先士卒，与屈突通会合兵力激战。李世民想试探王世充军阵的厚薄，与几十名精锐骑兵冲击敌阵，一直冲到他军阵的背后，敌众都溃散，杀伤很多。不久被长堤阻隔，与各骑兵失散，将军丘行恭独自跟随李世民，王世充的几名骑兵追上他们，李世民的马被流箭射中倒毙。丘行恭回马射击追赶的敌骑，箭无虚发，追兵不敢上前。于是下马将马给李世民，丘行恭在马前步行手持长刀，跳跃大喊，斩杀数人，突破敌阵而出，得以进入大军。王世充也率领部众拼死战斗，军队散开又汇合多次，从辰时到午时，王世充的军队才退却。李世民指挥军队乘胜追击，直抵洛阳城下，俘虏斩杀七千人，于是包围了洛阳。骠骑将军段志玄与王世充的军队奋力作战，深入敌阵，马倒，被王世充的士兵擒获，两名骑兵夹持着他的发髻，将要渡过洛水，段志玄奋力跃起，两人都掉下马。段志玄骑马跑回，追赶的骑兵有数百骑，不敢逼近。
当初，骠骑将军王怀文担任唐军的侦察兵，被王世充俘获，王世充想安抚取悦他，将他安置在身边。壬寅日（十三日），王世充出右掖门，面对洛水布阵，王怀文突然用长矛刺向王世充，王世充内穿铠甲，长矛折断不能刺入，王世充左右的人突然遇此变故，都惊愕得不知所措。王怀文跑向唐军，到写口，被追上抓获，杀了他。王世充回城，脱下护身甲，袒露给群臣看，说：“王怀文用长矛刺我，终究不能伤我，这难道不是天命所归吗！”
在此之前，御史大夫郑颋不乐意在王世充手下做官，经常称病不参与政事，到这时对王世充说：“臣听说佛有金刚不坏之身，陛下真是如此啊！臣实在幸运，能生在佛世，愿意放弃官职削发为僧，勤奋修行，以助陛下的神武。”王世充说：“你是国家大臣，声望素来很高，一旦入佛门，将会惊骇人们的视听。等战事停息，一定听从你的志愿。”郑颋坚决请求，王世充不答应。郑颋退下后对妻子说：“我自幼做官，立志仰慕名节，不幸遭遇乱世，流离到此，置身于猜忌的朝廷，涉足于危亡之地，智力浅薄，无法保全自己。人生终有一死，早死晚死有什么不同？姑且随从我的喜好，死也无憾！”于是削发穿上僧服。王世充听说后，大怒说：“你认为我必然失败，想苟且免祸吗？不杀你，怎么能制服众人！”于是在街市上斩杀了郑颋。郑颋谈笑自如，观看的人都认为他壮烈。
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，又娶陶氏之女以应和‘桃李’的谣谶。谄媚侍奉突厥可汗，很得可汗欢心，可汗答应立他为南面可汗。等到在并州，贪赃受贿，行为不检。”高祖命令裴寂、陈叔达、萧瑀共同审问。乙巳日（十六日），李仲文被处死。
庚戌日（二十一日），王泰放弃河阳逃走，他的将领赵夐等人献城投降。别将单雄信、裴孝达与总管王君廓在洛口对峙，秦王李世民率领步兵骑兵五千人救援王君廓，到达轘辕，单雄信等人逃走，王君廓追击打败了他们。
壬子日（二十三日），延州总管段德操攻击刘屳成，打败他，斩首一千多级。
乙卯日（二十六日），王世充的怀州刺史陆善宗献城投降。
秦王李世民包围洛阳宫城，城中守御非常严密，大炮发射的飞石重五十斤，能抛掷二百步远，八弓弩的箭像车辐，箭头像大斧，能射五百步远。李世民从四面进攻，昼夜不停，十几天不能攻克。城中想翻越城墙出来投降的一共有十三批，都未能成功而死去。唐军将士都疲惫思归，总管刘弘基等人请求撤军。李世民说：“如今大举而来，应当一劳永逸。东方各州已经望风归服，只有洛阳一座孤城，势必不能长久，功业即将完成，怎么能放弃而离去！”于是下令军中说：“洛阳没有攻破，军队决不返回，敢说撤军的斩首！”众人于是不敢再说。高祖听说后，也秘密敕令李世民让他撤军，李世民上表说洛阳一定可以攻克，又派参谋军事封德彝入朝当面论述形势。封德彝对高祖说：“王世充得到的地盘虽然多，大多都是被迫归附，号令能够推行的，只有洛阳一城而已，他已智尽力穷，攻克就在朝夕之间。现在如果撤军，贼军势力重新振作，互相连结，以后必定难以图谋！”高祖这才听从。李世民给王世充送信，向他说明祸福利害；王世充不作答复。
戊午日（二十九日），王世充的郑州司兵沈悦派使者到左武候大将军李世积处请求投降。左卫将军王君廓夜里带兵袭击虎牢，沈悦作为内应，于是攻克虎牢，俘获王世充的荆王王