这个时候唐军的密探报告说：“窦建德探听到唐军草料已经用完，会在黄河以北放马，于是准备袭击武牢。”

李世民和李靖商量后，李靖建议，唐军将计就计，吸引窦建德出来决战。打运动战是我军的强项，只要窦建德出来，我们就可以乘机战胜他。

五月初一，李世民向北渡过黄河，从南面逼进广武，侦察敌情，乘机留下一千多匹马，在黄河边放牧以引诱窦建德，当晚返回武牢。

第二天，窦建德果然倾巢而出，从板渚出牛口列战阵，北靠黄河，西临汜水，南连鹊山，连绵二十里，擂鼓前进。

唐军诸将都十分惊慌，李世民带几名骑兵登上高丘望敌阵，对诸将说：“敌人从山东起兵后，还没有碰见过强大的对手，如今身涉险境却很喧嚣，是没有纪律，逼近城池排列战阵，有轻视我们的意思。我们如果按兵不动，他们的勇气自然就会衰竭，列阵时间一长士卒饥饿，势必就会自动撤退，我们再追上去攻击，必然会取胜。我和各位相约，一过正午，肯定能打败他们！”

窦建德轻视唐军，派三百骑兵涉过汜水，在离唐营一里的地方停止。派人通报李世民说:“请挑选几百名精兵和他们打着玩玩。”

李世民派王君廓带领二百名长枪手应战，相互交锋，骤进骤退，双方不分胜负，各自返回营地。

这个时候，王琬骑着隋炀帝的青骢马，铠甲兵器都很新，远离阵前向众人夸耀。

李世民平生最喜欢好马，于是就不住地赞叹说：“他骑的真是一匹好马啊！”

尉迟敬德想表现一下自己的能力，于是立即请求把那匹马夺回来。

李世民制止他说：“怎么能为了一匹马损失一员猛士呢？”

尉迟敬德不听，立即和高甑生、梁建方三人骑马直冲入敌阵，活捉了王琬，牵着他的坐骑奔回唐营，众人没有敢阻挡的。

李世民非常赞赏尉迟敬德的勇气，于是就 让他去召回黄河以北的牧马，等他返回才出战。

窦建德的军队排列战阵，从早晨到中午，士卒们饥饿疲惫，都坐了下来，又争着喝水，迟疑着想撤退。

李世民命令宇文士及带三百骑兵经过窦建德军阵西边向南奔驰，告诫他：“敌人如果不动，你就带兵返回，如果动了，就领兵东进。”

宇文士及到窦建德阵前，敌阵果然动了，李世民说：“可以进攻了。”

这时黄河滩上的牧马也已到达，于是下令出击。李世民率领轻骑先出发，大军跟随在后，向东涉过汜水，直扑敌阵。

窦建德的群臣正在朝谒，唐军骑兵突然降临，朝臣都跑向窦建德，窦建德召骑兵抵御唐军，因朝臣阻隔骑兵过不去，窦建德挥手令朝臣退下，这一进一退之际，唐军已到阵前，窦建德形势窘迫，后撤靠近东面的山坡。

窦抗带兵攻打他，交战后形势稍不利。李世民率领骑兵驰援，所向披靡。

淮阳王李道玄挺身冲锋陷阵，直冲出敌阵后方，又重新返回冲入阵中，几番进出，身上聚集的箭像刺猬毛一样，勇气仍然不减，放箭射人，都应声倒地。李世民把自己备用的战马送给他，让他跟随自己，于是各军大战，战场上尘土飞扬遮天蔽日。

李世民率领史大奈、程知节、秦叔宝、宇文歆等人将旌旗卷起，冲入敌阵，从阵后而出，打开唐军旗帜。

窦建德的士兵回头看见唐军旗帜在阵后飘扬，以为被唐军包围，迅速崩溃，唐军追出三十里，杀了三千多人。

窦建德被长枪刺中，逃窜到牛口渚躲避。唐车骑将军白士让、杨武威追逐窦建德，窦建德落马，白士让挺枪欲刺，窦建德说：“别杀我，我是夏王，献上我可以使你们得到富贵荣华。”

杨武威下马捉住窦建德，用备用马匹驮着窦建德来见李世民。

李世民斥责窦建德道：“我自讨王世充，何预汝事，而来越境，犯我兵锋！”

窦建德回答说：“今不自来，恐烦远取。”

窦建德的将士都溃散了，唐军俘虏了五万人，李世民当天就遣散了俘虏，让他们返回家乡去了。

王世充的将领王德仁放弃旧洛阳城逃跑了，副将赵季卿以城降唐。

李世民押解着窦建德、王琬、长孙安世、郭士衡等人到洛阳城下，给王世充看。

王世充流着泪和窦建德说话，于是李世民让长孙安世等人进城叙说失败的情况。

王世充召集诸将商议突围，准备南奔襄阳，众将领都说：“我们依赖的是夏王窦建德，如今夏王已被俘，我们就是突围，最终也无法成功。”

五月初九，王世充身穿白衣带领郑国的太子、百官及二千多人到军营门前投降。

李世民按礼节接受他们的投降，王世充俯下身汗流浃背。

李世民说道：“你总认为我是个小孩，如今见了小孩，为什么这么恭敬？”

王世充无言以对，只能叩头谢罪。

于是李世民分派出一部分人，先进入洛阳，分别把守市场商店，禁止骚扰抢掠，没有一人敢违犯禁令。

初十，李世民进入洛阳宫城，命令记室房玄龄先进入中书省和门下省，收集隋朝的地图户籍、制文诏书，但已经都被王世充销毁，没有找到什么。又命令萧瑀、窦轨等人封存了仓库，没收金钱布帛，颁赐给将士们。又拘押了罪行特别大的几十名王世充的同党，有段达、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，在洛水岸边斩首。

当初，李勣与单雄信很要好，发誓同生共死。