窦建德布阵，从辰时到午时，士兵饥饿疲倦，都坐下来，又争着喝水，犹豫着想退却。李世民命令宇文士及率领三百骑兵经过窦建德军阵西面，向南奔驰而上，告诫他说：“贼军如果不动，你就带兵回来，如果动了就带兵向东出击。”宇文士及到了军阵前，军阵果然动了，李世民说：“可以进攻了！”这时在沙洲牧放的马也到了，于是命令出战。李世民率领轻骑兵先行前进，大军随后，向东涉过汜水，直逼窦建德军阵。窦建德的群臣正在朝谒，唐军骑兵突然到来，朝臣跑向窦建德，窦建德召骑兵让他们抵抗唐军，骑兵被朝臣阻挡不能通过，窦建德挥手让朝臣退下，进退之间，唐军已经冲到，窦建德窘迫，退到东面的山坡依凭。窦抗带兵攻击他，交战小有不利。李世民率领骑兵赶往，所向披靡。淮阳王李道玄挺身冲入敌阵，直冲到敌阵背后，又冲破敌阵返回，再进再出，飞箭射在他身上像刺猬毛一样，勇气不衰，射人，都随着弓弦响声而倒地。李世民给他备用马，让他跟随自己。于是各军大战，尘埃满天。李世民率领史大奈、程知节、秦叔宝、宇文歆等人卷起旗帜冲入敌阵，从敌阵背后冲出，张开唐军旗帜，窦建德将士回头看见，全军溃败；唐军追击三十里，斩首三千多级。窦建德中槊受伤，逃窜藏匿在牛口渚。车骑将军白士让、杨武威追赶他，窦建德落马，白士让举起长矛要刺他，窦建德说：“不要杀我，我是夏王，能使你们富贵。”杨武威下马擒获他，用备用马驮着，来见李世民。李世民责备他说：“我讨伐王世充，关你什么事，竟敢越境前来，冒犯我的兵锋！”窦建德说：“今天我不自己来，恐怕还要劳烦您远道去攻取。”窦建德的将士都溃散逃走，被俘获的五万人，李世民当天就遣散释放了他们，让他们返回家乡。
封德彝入营祝贺，李世民笑着说：“不听您的话，才有今天的胜利。智者千虑，不免一失吧！”封德彝非常惭愧。
窦建德的妻子曹氏与左仆射齐善行率领数百骑兵逃回洺州。
甲子日（初七），王世充的偃师、巩县都投降。
乙丑日（初八），任命太子左庶子郑善果为山东道抚慰大使。
王世充的将领王德仁放弃旧洛阳城逃走，副将赵季卿献城投降。秦王李世民将窦建德、王琬、长孙安世、郭士衡等人押到洛阳城下，给王世充看。王世充与窦建德对话而哭泣，仍然派长孙安世等人进城说明失败情况。王世充召集众将商议突围，向南逃往襄阳，众将都说：“我们依赖的是夏王，夏王如今已被擒获，即使能突围出去，最终也必然不能成功。”丙寅日（初九），王世充身穿素衣率领太子、群臣、二千多人到军营门前投降。李世民以礼接待他，王世充伏地流汗。李世民说：“你常常把我当作小孩看待，如今见到小孩，为什么这么恭敬呢？”王世充叩头谢罪。于是部署各军，先进入洛阳，分别把守街市店铺，禁止侵扰抢掠，没有人敢违犯。
丁卯日（初十），李世民进入宫城，命令记室房玄龄先进入中书省、门下省收取隋朝的地图户籍和制书诏令，已被王世充销毁，没有找到。命令萧瑀、窦轨等人查封府库，收取金银绢帛，赏赐将士。收捕王世充党羽中罪行特别大的段达、王隆、崔洪丹、薛德音、杨汪、孟孝义、单雄信、杨公卿、郭什柱、郭士衡、董睿、张童儿、王德仁、朱粲、郭善才等十多人，在洛水岸边斩首。
当初，李世积与单雄信友好，发誓同生共死。等到洛阳平定，李世积说单雄信骁勇绝伦，请求全部献出自己的官职爵位来赎他，李世民不允许。李世积坚决请求得不到允许，流泪哭泣而退下。单雄信说：“我本来就知道你办不成事！”李世积说：“我不惜余生，愿与兄长同死；但我已将自身许给国家，忠义不能两全。况且我死之后，谁再来照顾兄长的妻儿呢？”于是割下大腿肉给单雄信吃，说：“让这块肉随兄长化为尘土，也许还算没有违背当初的誓言！”士民痛恨朱粲残忍，争相投掷瓦砾击打他的尸体，一会儿堆积如坟。囚禁韦节、杨续、长孙安世等十多人送往长安。无罪被王世充囚禁的士民，全部释放，被王世充杀害的人则进行祭祀并撰写悼文。
当初，秦王府属官杜如晦的叔父杜淹侍奉王世充。杜淹一向与杜如晦兄弟不和，进谗言害死杜如晦的哥哥，又囚禁他的弟弟杜楚客，几乎饿死，杜楚客始终没有怨恨的