有谍报人员奏报李世民：“窦建德探知我军牧草将尽，在黄河北岸牧马，准备袭击虎牢关。”
五月初一，李世民到北岸探查敌情，留下一千余匹战马在南岸沙滩上放牧引诱窦建德。
初二，窦建德果然出动全部主力，从板渚（黄河渡口，位河南荥阳北）出牛口渚（河南荥阳北牛口峪）列下大阵。
夏军阵形北临黄河、西接汜水、南靠鹊山（古山名，位河南荥阳西南），绵亘二十里，战鼓隆隆浩荡而行。
如此大的阵势，让唐军将领个个面露惧色。李世民率数名骑兵登高了望，对众将说：“窦建德起于山东，从未遭遇强敌。你看他们兵临险境却鼓噪喧嚣，毫无纪律可言；逼近城池列阵，又有轻敌之意。我按兵不动，他们勇气自会衰竭；时间一久，士卒饥饿就会退走，届时我们乘势追击定当取胜。我向诸位保证，中午时分必破此敌。”
窦建德倚仗自己兵多将广轻视唐军，出动三百骑兵渡过汜水，在距唐营一里左右列好阵形，派人通知李世民：“请你挑选数百骁勇士卒对决”，李世民让王君廓带两百长槊兵前出应战。两军相接刀来槊往打了个平分秋色，各自撤军。
这时，夏军阵中王世充派出求援的大臣王琬，骑着隋炀帝的青聪马招摇显摆，很是扎眼。李世民叹道：“这真是一匹良马！”尉迟敬德恳请夺取，李世民阻止说：“怎可因一匹马牺牲我的勇士。”
尉迟敬德不听，与高甑生、梁建方三人纵马直赴敌阵，于万军当中擒获王琬，赶着他的马返回唐营，夏军被他们勇气所慑，竟无人敢挡。
窦建德阵中，士卒们从辰时一直站到午时，又饿又乏，全都坐下来，又闹哄哄的抢水喝，没人愿意前进。
李世民令宇文士及率三百骑兵从窦建德阵形西侧向南机动，告诫说：“他们不动，你就回来；他们一动，你率军向东进击。”
宇文士及来到窦建德阵前，夏军阵营果然蠢蠢欲动。李世民下令全军出战，率骑兵先行，大军继后，渡汜水向夏军阵地发起冲锋。
此时夏军阵内，群臣正在列队朝谒窦建德。唐军突然杀来，群臣拥向窦建德。窦建德令骑兵迎战，却被乱作一团的大臣所阻。混乱间唐军已到，窦建德窘迫之下向东退却。
唐将窦抗冲阵不利，李世民亲率骑兵冲锋，所到之处夏军纷纷退让。年仅十八岁的淮阳王李道玄纵马急驰，直接穿透了夏军阵营，再重新杀回。身上被射中的箭矢如同猬毛般密集，却愈发勇猛亢奋。李世民怕他受伤，另外给他一匹马，让他跟在自己身边。
双方混战，尘埃满天。李世民与猛将史大奈、程知节、秦叔宝、宇文歆等杀到夏军阵后，高张大唐旗帜，窦建德将士看到以为己方已败，顿时全军溃散。唐军乘胜追击三十里，斩首三千余级。
窦建德身带槊伤，逃至牛口渚（河南荥阳北牛口峪）。唐将白士让、杨武威穷追不舍，窦建德坠落马下，白士让举槊要刺，窦建德大声说道：“不要杀我，我是夏王，能让你得富贵。”杨武威下马将其擒获，扔到马上载着来见李世民。
李世民看着被捆成一团狼狈不堪的窦建德，责备他说：“我来讨伐窦建德关你何事，竟没事找事前来犯我兵锋。”窦建德苦笑着答：“我如不来，恐怕还得劳你远取。”
这一战唐军生俘五万余人，李世民当天就将他们遣散。窦建德妻子曹氏、左仆射齐善行率数百骑兵逃回洺州（河北邯郸永年县东南），后又主动降于大唐。
五月初八，李世民用囚车拉着窦建德、王琬、长孙安世、郭士衡等人来到洛阳城下，王世充与窦建德相对而泣。王世充召集众将商议突围，南逃襄阳。众将都说：“我们以前所仗无非是夏王，而今夏王已被擒，就是突围又能怎样。”
五月初九，绝望的王世充身着白衣，带着太子、群臣等两千余人出城投降。李世民以礼相待，王世充跪在地上汗流浃背。李世民取笑着说：“卿以往常把我当孩童看，如今见到我这孩童，为何如此恭敬。”王世充顿首谢罪！
五月初十，唐军进入洛阳。将段达、单雄信、杨公卿、朱粲等十余名首恶于洛水边斩首。
当初在瓦岗寨时，李世积与单雄信交往密切，誓同生死。待到洛阳平定，李世积向李世民求情，愿把自己官职让出替单雄信赎罪，李世民不准，李世积哭着退出来。
单雄信挖苦他说：“我就知道你办不成事。”李世积恳切答道：“我愿与大哥同死，但我死之后，谁来照顾你的父母家人。”随即拿刀从自己腿上割下一块肉送到单雄信嘴边，说道：“我以身许大唐，事无两全，就让我这块肉随兄长一同入土，以不负往日誓言！”
至于那个吃人魔王朱粲在处死后，尸体被愤怒的民众用石头瓦块砸了个稀烂。
七月初九，唐军凯旋。秦王李世民身披黄金甲，李元吉、李世积等二十五员大将紧随其后，一路高奏凯歌进入长安。
李渊见到王世充指着他痛骂，王世充说：“臣罪该万死，但秦王已答应饶臣一命。”
七月十一日，诏令赦免王世充为庶人，把他与一干兄弟子侄发配蜀地，沿途以谋反罪全部处死。窦建德则被斩于闹市。
王世充坚忍不拔，以一己之力击溃李密百万大军；窦建德英武大度，从一介平民聚众起兵，横扫河朔大地。两人都堪称乱世枭雄，只可惜他们遇见了人心所向的大唐，遇见了千古一帝李世民。大势所趋却偏要逆流而动，机关算尽太聪明反误了卿卿性命！
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