武德三年七月，唐軍在李世民的率領下，出關進攻王世充。才三個月的時間，洛陽周圍郡縣全部落入李世民手中，洛陽成了一座孤城。
在隋末各家反王裏，手下將領最熱衷於投降的就是王世充了，其實，在唐大舉進攻之前，王的部下就已經有不少降了唐。七月，張公瑾降;八月，鄧州降;九月，田瓚以所部25州降(25州啊!)，時德睿以所部7州降;十月，大將張鎮周降，郭慶以管州降，魏陸以滎陽降，王要漢以汴州降。
眼看局勢不利，王世充親自出面向李世民求和，雙方在洛陽城外隔着洛水談判，王發言道，唐帝關中，鄭帝河南，我沒有去進攻你的關中，你爲什麼要進攻我的河南?李世民答道，我大唐志在四海，你擋了我的路，我爲此而來。王又提議說，讓我們罷兵講和，“不亦善乎”?李答道，我爸爸只命令我來滅了你，沒有授權我和你講和。於是和談破裂了。
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既然無法求和，王世充只得全力迎戰，無奈人心已失，連戰皆敗，正面打不過，那隻好用偷襲了。李世民作爲主帥有個很不好的習慣，喜歡只帶少數手下到最前線去看地形或偵察敵情。王世充早就知道李世民的這個愛好，一直都在等待合適的機會。機會在九月辛巳這天出現了，李世民只帶了五百騎兵到魏宣武陵看地形，王世充立即帥步騎兵萬餘人前往突擊，將李世民重重圍困，唐軍主力這時也已得知情況危急，屈突通領援兵拼命來救，但都被王部攔住。王的大將單雄信殺散李世民的衛士，直衝到李世民馬前，眼看李世民就要當不成唐太宗，突然出現了一個叫尉遲敬德的奇蹟，在單雄信舉槊刺向李世民的一剎那從側面把單雄信挑落馬下。隨後，尉遲敬德護着李世民殺出重圍，終於和來接應的唐軍主力會合，尉遲隨即回身向王世充發起反衝擊，出入王軍如無人之境，士氣大振的唐軍跟隨其後，結果反倒是王世充全軍覆沒，僅以身免。
這時王已失去了獨自對抗唐軍的能力，不得已，只好派了使者去向竇建德求援，竇與王是敵非友，王此舉實爲飲鴆止渴，但除此之外，再沒有其他辦法了。竇於武德三年十一月回信表示同意援救洛陽，但竇不懷好意，希望唐鄭之間繼續交戰，到兩敗俱傷時再由他收漁翁之利，因此一直隔岸觀火，不發援兵。
好在洛陽城的防禦能力是極強的，守城器械裏還包括了當時最強大的武器大炮飛石和八弓弩箭機，大炮飛石能將五十斤的大石擲二百步，殺傷力極強;八弓弩箭機則強大到誇張的程度，“箭如車輻，簇如巨斧，射五百步”，靠了堅城利“炮”，王世充在守城戰中獲得了成功。但是，象當年李密圍城時一樣，洛陽的糧食又快用完了。王世充決定在斷糧前全力一搏，希望能重現上次擊敗李密的奇蹟，於是，王軍在武德四年二月開城出擊，不知是否巧合，王軍出擊的人數與當年破李密時相同，也是二萬。兩軍在洛陽城下血戰，王世充和李世民都親自上陣，王軍在此戰中鬥志極高，死戰不退(王的部隊基本上是以隋朝的禁衛軍--驍果爲班底的，戰鬥力極強)，給唐軍造成很大傷亡，連李世民都險些陣亡，大將段志玄一度被俘，可惜王軍最後仍然不敵唐軍，在戰死七千人後不得不撤回洛陽。這一戰是唐鄭之戰中最慘烈的一戰，也是王世充最後一次戰略出擊。此戰之後，王世充只有咬牙死撐，每日裏除了拼命守城，就是望眼欲穿地盼望竇的援軍。
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接下來就是著名的武牢關大戰了，沒錯，不是虎牢關而是武牢關，呵呵，虎牢是武周代唐後改的，但爲了大家的習慣，下面還是稱虎牢關吧。
翌年三月，就在攻守雙方互拼耐力之時，夏王竇建德認爲卞莊刺虎的機會成熟了，竇建德親率夏軍主力向洛陽進發，兵力達到十餘萬，號稱三十萬。夏軍一路攻克唐軍佔領的郡縣，於當月到達洛陽東側的虎牢關外。唐軍將領大爲恐慌，包括蕭禹、屈突通、封德蠡在內的重臣大將紛紛請求李世民暫避鋒芒，李世民認爲虎牢關易守難攻，竇軍短期內絕無可能與城內王軍匯合，這正是各個擊破的好時機，絕對不可功虧一簣。於是李世民留李元吉領一半兵力繼續圍城，自己率另一半兵力趕去虎牢關迎擊竇建德。李世民就在大白天堂而皇之的撤走一半兵力去虎牢關增援，王世充在洛陽城頭看在眼裏，明知援軍已到，卻沒有能力出城接應，夾擊唐軍，取勝的機會就這樣被錯過了。如果竇建德在二月到達，王世充的二萬子弟兵出城夾擊，不知局勢會是如何。如今王軍已喪失戰鬥力，使唐軍可以輕鬆調主力迎擊竇軍，王世充心中不知是何滋味。當時唐軍已經久戰疲乏，見夏軍勢大，普遍心生畏懼。爲了激勵士氣，李到達虎牢的次日就親自出馬要給竇建德一個下馬威。
當天，李帶了親衛隊五百騎出關去探竇的大營，兩地間距離二十餘里，李將所帶兵馬安排在沿途各處險要之地埋伏，伏兵分別由李世績、秦叔寶、程知節率領，而李自己只帶了尉遲等四騎，五個人大搖大擺就直奔竇建德大營。這實在是太瘋狂了，簡直是拿性命開玩笑，不過李世民是很有信心的，他對尉遲吹噓說，我持弓箭，你用馬槊，咱們走在一起，即便來千軍萬馬也奈何不得，如果敵人見到我就跑掉，那算他們聰明。五個人離竇軍還有三裏時遇到了敵人的流動哨，李世民跳將出去，大喝一聲，我乃秦王李世民也!一箭幹掉了對方帶頭的小將。竇軍中大驚，雖然不信真是李世民，但還是出動了五六千騎兵殺將出來。五人組中無名的那三個嚇得面目變色，李世民命他們先撤，自己則和尉遲二人殿後。這二人的組合果然威力驚人，敵騎追在最前的一定中箭斃命，所以敵人不敢逼近(看來竇建德真是缺乏勇將)。從竇軍的角度考慮，雖然不敢太靠前，但又不甘心就此回去，所以就不知不覺地被引入了李世民事先安排的埋伏。李世績等人帶了伏兵殺出，竇軍倉皇而逃。
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這一仗其實是心理戰，李世民只帶了寥寥數人就敢到竇建德門口耀武揚威，而且還勝利而歸，簡直就有些望風披靡的味道，它給竇部的心理衝擊是非常巨大的。
竇建德與李世民在虎牢關相持到四月，竇軍久攻不下，接連小敗，軍中士氣低落，李世民又派大將王君廓襲擊竇的補給線，戰況開始對竇軍不利。竇的謀臣凌敬建議放棄進攻虎牢關，採用圍魏救趙之計，趁唐軍精銳盡在洛陽城下無法脫身之機，全軍直撲唐的根據地關中，李世民勢必進退兩難，不得不從洛陽撤兵，而竇軍則可立於不敗之地，最壞的結果也不過是撤回河北而已。竇本已打算採納凌的建議，但王世充的告急使者每天絡繹於道，在竇面前痛哭流涕苦苦哀求，同時又賄賂竇左右將領，讓他們在竇面前貶低凌敬，堅持不撤兵，竇不知是俠義精神發作，還是仍然想繼續劉彬的一箭雙鵰之計，反正最終沒有采納凌敬的建議。於是，竇無視相持所帶來的種種不利，繼續與李世民進行攻防戰。
五月，李世民認爲時機成熟，終於出兵與竇會戰。雙方於上午到達戰場，夏軍漫山遍野而來，李世民則堅守不動，相持到中午，夏軍已又渴又餓又累，李世民趁機猛攻，並親自衝鋒陷陣。當時竇建德正召集羣臣集會，李世民精兵直衝竇建德大營，竇手下衆文官立刻狼奔豕突，大營中一片混亂，竇軍的指揮系統陷於癱瘓。夏軍將士雖然奮戰，無奈指揮部被摧毀，最後終於不支潰敗，僅被俘虜的就多達五萬。
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竇在突圍時中槊受傷，逃到牛口渚終於不支墜馬，被唐將白士讓、楊武威追上，白要下手殺竇，竇急忙大叫“勿殺我，我夏王也，能富貴汝”，一世豪傑，到此生死關頭，也忍不住哀求饒命了。當天，李世民以勝利者的姿態與竇見了面，問竇說，我自管進攻王世充，關你什麼事，大老遠跑來送死?竇默然半晌，答到“今不自來，恐煩遠取”。對這句話一直有不同理解，有人認爲竇乘興而來，卻落得如此下場，窮極無聊下自我解嘲，但這樣就簡直是一副搖尾乞憐之態，未免太不符合竇的風格，因此這句話可以理解成很正式的意思，那就是“爲了爭天下，你我早晚將有一戰，就算這次我不來攻你，你也會去攻我，何必說那麼多廢話世充見面，竇、王二人唯有相對流淚。王世充見大勢已去，不得不開城投降。七月，李世民凱旋迴到長安，將竇建德、王世充向李淵獻俘。李淵一向很有興趣將被俘的敵方首領公開處斬，比如薛仁果、李軌、蕭銑、李子通等人都是死於長安，竇建德也沒能例外，被斬於長安市中。
