621年五月初一，李世民领兵向北渡过黄河，从南面逼近广武，侦察敌情。
他吩咐部下故意留下一千多匹马在黄河岸边。
让这些战马整个下午在河岸边悠闲地啃吃青草，以引诱窦建德军队。
然后唐军在天黑前收拢战马，返回武牢兵营。
窦军侦察兵向窦建德报告：
“唐军营地战马草料用完，不得不在黄河岸边让战马啃吃青草充饥。
天气干旱少雨，黄河岸边青草尚且嫩小，唐军战马靠啃嫩草根本吃不饱。”
唐军密探回报李世民：
“窦建德军队已探知并相信了我军军营马料用完，准备趁机出兵袭击武牢。”
五月初二，窦建德调齐军队，果然倾巢而出。
窦军从板渚出牛口列阵，北靠黄河，西临汜水，南连鹊山，连绵二十里，擂打战鼓助威行进。
窦建德军队如此声势浩大，排山倒海而来。唐军将领都十分害怕。
李世民领尉迟敬德等，拍马登上一个高岭，勒住马远望敌阵，对众将说：
“这帮贼寇从山东起兵，还没碰见过强大对手，如今结成庞大兵阵，却没有纪律，部伍散乱不堪。
他们只是靠着人多，对打仗有什么用处？
我们按兵不动，待他的勇气衰竭。
他们列阵时间一长，士卒都饥饿干渴，势必都想撤退。
到时候我们再追上去攻击，必然会取胜。
我和各位相约，一过正午，我们肯定打败他们。
窦建德轻视唐军，派三百名骑兵渡过汜水河，在离唐营很近的地方收住马蹄。
窦建德骑兵一个领头的将领朝唐军营寨呼喊：
“唐营中如有勇士，请出来决斗！”
他叫了几遍，就见唐军营门打开，走出一员大将，领了二百兵长枪手（长矛）前来应战。
唐军旗帜上写着一个巨大的“王”字，原来领头的是大将王君廓。
王君廓与窦建德军队交战，互进互退，酣战几十个回合，双方不分胜负，各自返回营阵。
王琬骑着隋炀帝骑过的青骢马，他铠甲兵器都明亮夺目，远离阵前向众人炫耀。
李世民素来喜爱优良战马，看见了忍不住说：
“他骑的真是匹好马！”
身边的猛将尉迟敬德说：
“大帅，待我前去夺来。”
李世民急忙制止说：
“怎么能为了一匹马损失一员猛将呢？”
尉迟敬德不听劝阻，拍马跃出营阵，随身只带左右两名骑兵。
他左边高甑生，右边梁建方，三人骑着战马竟追跟在回营的窦建德骑兵身后，直接到达窦建德骑兵阵前。
王琬骑着青骢马，昂然立在马上，他正昂头观看窦兵归营，毫不防备，猛听到一声喝：
“你如今想往哪里走？”
话音未落，王琬身体离开马鞍悬空，他已被别人从马背上抓了起来。
只剩下他的坐骑青骢马，也立即有人牵住了缰绳。
王琬被人提在半空，当时害怕急了，连着大声喊叫：
“快救命啊！”
“快来人啊！”
听着呼救，窦建德军中冲出几名骑兵，扑上来救援。
他们遇见了铁骑黑铁甲护身的唐将，正是手持长槊的尉迟敬德，不由得倒退几步。
尉迟敬德擒住王琬，高甑生牵住宝马，竟安稳无险地跑回到唐军大营。
李世民担心尉迟敬德有闪失，急令宇文士及，领着三百铁骑前出接应。
李世民对宇文士及说：
“如果敬德已回，你可领骑兵绕出敌阵，由东面跑回来。
敌人若守阵不动，你也赶快跑回来，不要轻易缠斗。”
宇文士及领计前行，途中迎接着尉迟敬德，见他立功而回，满心替他高兴。
于是趁势前往挑逗敌阵，敌军骑兵争着前来拦截。
宇文士及三百骑兵并不与敌兵缠斗，只是夺路继续向东跑去。
李世民这时观察汜水对岸的窦建德主力大军兵阵，只见这时已有很多窦军兵士，都被头顶上那轮烈日高温炽烤得口渴难忍，争先恐后跑到河里，站在齐腰深的汜河水里，用双手捧水喝。
那些喝了水的就随意坐在阵前歇息。一个个精神懈怠，场面混乱懒散。
李世民于是对众将喊道：
“贼兵已经松懈。
立即开始攻击！
千万别耽误时机！”
李世绩、程咬金、秦琼等，一听将令，便立即出马先行。
李世民也不愿落后，拍马前往。
随后众兵将依次跟随，趟水渡过汜水河，直接捣击窦建德大军兵阵。
因为此时已经过晌，窦军全军都没有吃午饭。
窦建德正在召集众将群臣在野外召开大会，商议轮流回军吃午饭的事如何安排。
见唐军骑兵突然扑来，众臣众将急忙跑向窦建德，自发地团团围拢起来，用身体护住主帅。
窦建德急忙命令骑兵抵挡唐军，因众臣众将围成巨大一团，挡住了窦军骑兵没法过去迎击唐军。
窦建德又命令群臣众将立即散开，回归各自阵营指挥各自部下作战。
窦军这一聚一散，唐军骑兵已到眼前。窦建德一看形势危急，急忙后靠近依托东面的山坡高地迎战。
李世民瞧见，命将领窦抗绕击窦建德军队。
李世民亲自和尉迟敬德拦杀窦建德骑兵部队。
一阵乱刺乱捣，把敌人骑兵刹得七零八落，尽行散去。
唐军窦抗被窦建德打退，眼看招架不住了。李世民一声大喊冲过去，敌兵纷纷躲开。
唐将李道玄奋勇冲锋陷阵，他径直穿过敌阵，直冲上南面的高坡。
几番杀进杀出，从敌阵杀回时，李道玄身上中的箭象刺猬毛一样插遍全身。
他仍然勇气不减，依然放箭射敌，敌人都应声倒地。
这时他的战马身中多处箭伤，不能再骑。李世民把自己的备用战马送给他，嘱咐他别再杀入敌阵中。
双方激烈地交战，使战场上尘土飞扬，黄尘漫天。
李世民率领史大奈、程咬金、秦琼、宇文歆等众将把旌旗卷起来缠到旗杆上。
他们冲入敌阵，又从敌阵而出。李世民命令忽然全部打开唐军旗帜。
窦建德士兵回头看见唐军旗帜旗竟在自家阵后飘扬，都一脸惊愕地相互看，顿时军心崩溃。
唐军追奔三十里，杀了窦军三千多人。
窦建德被唐将用长枪刺中，他带着伤痛逃窜到牛口渚躲藏。
唐车骑将军白士让、杨武威两个人追赶窦建德，一路骑马追来。
窦建德吓得浑身发抖，连骑马都坐不稳。
他正向芦苇林中躲避，已被白士让追上。
白士让一枪刺中他的战马后大腿处，战马疼得嘶叫着一掀身体，立刻将窦建德掀下马来。
白士让挺枪要刺窦建德，窦建德忙摇手说：
“别杀我，我是夏王。如果你能放了我，我们共享富贵！”
杨武威也赶上来，下马捉住了窦建德。
白士让不认识窦建德，只是因为见他身披黄金铠甲，身上金光灿烂，猜他不是寻常将领，所以紧追不放。
窦建德怕死自行供认，白士让高兴得心花怒放。
他一跃下马，和杨武威一起动手，把窦建德捆绑起来，用备用马匹驮着窦建德，去见李世民。
这番厮杀，窦建德十几万雄兵，被李世军几千唐军打得死的死、逃的逃，还剩五万人没逃得掉当了俘虏。
王世充的大将长孙按世、郭士衡，这次在窦建德军中也被唐军擒住。
李世民收军升帐，查点俘虏。
白士让杨武威奔赴帅帐献功，报告李世民说：
“报知元帅！我俩拿住了窦建德！”
李世民大喜，即令把捆绑着的窦建德推进来。窦建德被押到李世民近前，站立不肯下跪。
李世民冷笑一声说：
“我讨伐消灭王世充，关你什么事？
你竟然跑出你的领土之外，来与我们交战？”
窦建德无地自容，悔愧交加，没脸正面回答，只好说了两句开玩笑的话：
“现在我不自己上赶着来找你，恐怕还得你以后远途赶去攻打我。”
李世民笑了笑，下令把窦建德关进囚车。
然后下令将窦军所有俘虏，全部遣返回乡。
李世民又派将士前往板渚窦建德的临时皇宫查看，发现只剩一座空行宫屹立在燥热的西南风里。
宫里面的人都跑得一个也没有了。
将士返回报告后，李世民领兵押解着窦建德，王世充侄子王琬，王世充的大将长孙安世和郭士衡回到洛阳城下。
李世民用赶马鞭子指着关押窦建德的囚车，抬头往城上喊道：
“王世充，你看看囚车里面是什么人？
这就是来救你的窦建德！
还有你的侄子，你的大将，都在这些囚车里！”
王世充正在城楼上，往下一瞧，果然有四辆囚车，每辆囚车关着一个人。
王世充将信将疑，问道：“囚车内可否是夏王？”
窦建德沮丧地说：
“不用问了。是我没错！
我领十几万人来救你，如今我成了囚奴。
你真把我害苦了！”
说完就流泪不止。
此情此景，王世充也忍不住在老泪横流。
王世充又看见其余三辆囚车内，分别是自己的侄子、大将，心里更是愁上加愁，痛上加痛。
王世充气恨和伤心交加，眼前一阵发黑，险些儿在城上站立不住，几乎要一头栽下城来。
李世民又对王世充说：
“你若不投降，我就要将他们斩首！”
王世充放声大哭，说：
“且慢！我应当投降，大王肯允许我免死么？”
李世民喊道：“准你免死！”
王世充乃下城，召集众将商议。
有的说不如逃走，有的说不如死战，有的说：
“我们依赖的是夏王窦建德，如今夏王己被俘。
我们就算是全力突围，最终成功不了。”
这时长孙安世，由唐军放回城中，力劝王世充出城投降。
王世充于是改穿白色衣服，率领百官群臣，共二千多人，开城门迎接唐军。
李世民按礼节接受他们投降。
王世充俯下身子磕头谢罪，他低着头，前额脸上汗水顺着下巴不停地往下滴。
李世民说道：
“你以为我是个刚二十岁的孩子，如今见了我这个小孩，你为什么又这么恭敬？”
王世充再叩头谢罪。
于是李世民先分派一部分人进城，分别把守市面商铺，禁止有人趁乱骚扰抢掠，没有一人敢违犯禁令。
五月初十，李世民进入洛阳宫城。
李世民命令房玄龄先进入洛阳宫城中书省、门下省，收集隋朝的地图、户籍、制文诏书。
但这些已被王世充命人销毁，几乎没有找到什么。
李世民又命令萧瑀、窦轨等人封存隋仓库，清点查收金钱布帛，分赐给唐军将士们。
唐军奉命拘押了罪行特别大的十几名王世充同党，他们是：
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。
把他们都绑着押到洛河岸边，全部砍了头。
老百姓最恨朱粲，观看行刑后，争着弯腰捡拾瓦片石头，然后用力扔出瓦块石头，投掷击打朱粲尸首。
不大一会儿，朱粲尸身上的石头瓦片就堆成了小山一样。
李世民有个手下将领叫李世，因为都是出身瓦岗，他和单雄信感情很好，发誓同生共死。
等到平定了洛阳，李世对李世民说单雄信骁健无敌，李世请求用自己全部官爵来赎单雄信的命。
李世民不准许。李世再三请求，仍不准许。
李世心情痛苦地退出帅帐。
李世去见关押着的单雄信，哭着对单雄信说：
“大哥，我求过我家主帅了，没有求成。”
单雄信对李世说：
“我早知道你办不到这事啊。”
李世说：
“我不惜余生，和兄长一同死，但是我既然把这条命献给了国家，事情就无法两全。
况且我死了以后，谁来照护兄长你的妻子、孩子呢？”
李世于是割下自己大腿上一片肉，让单雄信吃下。
李世说：
"让这块血肉随兄长化为尘土，也算不辜负当年的誓言吧！”
行刑时辰到，单雄信连同那十几个罪犯一同被斩首。
李世民命令把拘押的韦节、杨续、长孙安世等十几个人连同王世充、窦建德一起押送长安。
唐军打开洛阳监狱，把没犯罪就被王世充关押的老百姓一律释放。
窦建德妻子曹淑贞，夏国左仆射齐善行领一百多名骑兵逃回洺州（邯郸）。
这些残余部众打算立窦建德的养子为王，齐善行力排众议，最后带领百官携带夏国传国八玺降唐。
621年七月，李世民奏凯歌率大军回师长安。
唐军部队前部和尾部各安排一支乐队演奏欢庆乐曲，沿途老百姓闻鼓乐之声而奔走相告，一路上都有百姓夹道欢呼。
李世民共率铁骑一万匹，铠甲兵士三万，返入长安。
然后将窦建德、王世充牵押到太极殿阶下，听候李渊给他俩定罪发落。
李渊上殿，先召入王世充。
王世充跪在台阶下，三次高喊万岁，磕了好几个响头。
李渊说：
“你这个人残暴狠毒，我早就知道。
最可恨你杀我降臣李公逸、张善相！
不将你正法，无以慰籍忠良怨魂。”
王世充又磕头说：
“我的罪固然该杀，但秦王已答应不杀我了。”
秦王李世民就在李渊身边，李渊看了一眼李世民：
“你说过这句话么？”
李世民说：“我确实这样说过。”
李渊于是下诏令，将王世充贬为庶人，流放巴蜀。
再召窦建德进殿。窦建德虽然下跪，却不象王世充那样哀求。
李渊斥责窦建德违背盟约，不该援助王世充这个残害百姓的奸邪恶霸。
窦建德听了低头无语。
于是李渊命令把窦建德继续关押。
过了两天，李渊下了一道诏令，命令把窦建德押到长安东市刑场斩首示众。